Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế chuyển dịch năng lượng toàn cầu, điện mặt trời ghi nhận tốc độ tăng trưởng nhanh chóng. Theo báo cáo của BloombergNEF (BNEF), tổng công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu năm 2023 đạt 413 GW, tăng 64% so với năm 2022, trong đó Trung Quốc đóng góp 240 GW và có 33 quốc gia đạt quy mô lắp đặt trên 1 GW/năm. Tại Liên minh Châu Âu (EU), số liệu từ SolarPower Europe ghi nhận 55,9 GW được lắp đặt mới trong năm 2023 (tăng 40%), nâng mức công suất bình quân lên 585 W/người. Khu vực Châu Á theo dự báo của Rystad Energy sẽ tăng quy mô năng lượng tái tạo từ 517 GW (năm 2020) lên 815 GW (năm 2025), trong đó điện mặt trời chiếm tỷ trọng dẫn đầu. Tại Việt Nam, Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quy hoạch điện VIII) đặt mục tiêu nâng tổng công suất nguồn năng lượng tái tạo lên 50 GW vào năm 2030 (tương đương 31,39% cơ cấu nguồn điện) và định hướng đến năm 2050 có 80% nhà xưởng, 20% trụ sở công sở và nhà ở dân dụng lắp đặt hệ thống điện mặt trời mái nhà tự sản tự tiêu.

Song song với các hệ thống điện mặt trời nối lưới quy mô lớn, thiết bị chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời độc lập (Off-Grid) được triển khai phổ biến tại khu vực công cộng, giao thông nông thôn và sân vườn nhằm giảm áp lực phụ tải điện lưới. Tuy nhiên, nhược điểm vận hành phổ biến của các dòng đèn năng lượng mặt trời hiện nay là phát quang liên tục ở mức công suất danh định suốt đêm, kể cả trong các khung giờ không có người qua lại. Tình trạng này khiến hệ thống lưu trữ (bình acquy) thường xuyên bị phóng điện sâu (Deep Discharge) vượt ngưỡng an toàn hóa học, dẫn đến hiện tượng sunfat hóa bản cực, suy giảm nhanh dung lượng khả dụng và rút ngắn vòng đời của bình lưu trữ. Đồng thời, sự suy giảm năng lượng vào cuối đêm khiến quang thông của đèn bị sụt giảm rõ rệt, không đảm bảo yêu cầu chiếu sáng an ninh.

Xuất phát từ thực trạng trên, đề tài đồ án tốt nghiệp "Mô hình hệ thống đèn năng lượng mặt trời công suất nhỏ tự động điều chỉnh độ sáng" được thực hiện bởi nhóm tác giả Nguyễn Đức Hậu, Võ Hà Minh Huy và Lâm Trọng Nghĩa, dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Thị Minh Thư tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 06/2024).

Đề tài xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tính toán, thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống đèn năng lượng mặt trời độc lập công suất nhỏ trong thực tế.
  2. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm tự động điều chỉnh cường độ sáng dựa trên sự kết hợp giữa cảm biến quang, cảm biến chuyển động và module định thời gian thực.
  3. Đánh giá định lượng hiệu quả tiết kiệm năng lượng và tính khả thi kinh tế của hệ thống thông qua thực nghiệm đo đạc các kịch bản vận hành thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện mặt trời độc lập công suất nhỏ cung cấp cho tải đèn LED chiếu sáng DC 12V, bao gồm tấm pin quang điện (PV), bộ điều khiển sạc xung PWM, bình lưu trữ acid-chì, mạch vi điều khiển thuật toán điều chỉnh độ sáng (Arduino Uno R3) và các cảm biến phụ trợ.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm được gia công cơ khí, lắp ráp tủ điện và đặt thử nghiệm đo đạc bức xạ thực tế tại khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu đo đạc thực nghiệm về bức xạ mặt trời, công suất tiêu thụ và tỷ số hiệu suất (Performance Ratio - PR) được thu thập từ ngày 05/06/2024 đến ngày 07/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý chuyển đổi quang điện của tế bào năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV) và nguyên lý cân bằng năng lượng trong hệ thống nguồn độc lập (Stand-alone PV System). Tác giả áp dụng các công thức tính toán kinh điển trong kỹ thuật điện mặt trời:

  • Công thức xác định dung lượng danh định của hệ acquy lưu trữ ($C_{Ah}$): $$C = \frac{A \times N}{V \times D \times \eta_{inv}}$$ Trong đó: $A$ là tổng điện năng tiêu thụ trong ngày của phụ tải (Wh); $N$ là số ngày tự quản dự phòng khi không có nắng (ngày); $V$ là điện áp danh định của hệ lưu trữ (12VDC); $D$ là độ xả sâu cho phép của bình lưu trữ ($D = 50%$ đối với bình acid-chì); $\eta_{inv}$ là hiệu suất chuyển đổi (được tính bằng $0{,}88 - 0{,}92$).
  • Công thức xác định công suất đỉnh yêu cầu của tấm pin ($P_{peak}$): $$P_{peak} = \frac{A}{h_{sun} \times N_{PV} \times \eta}$$ Trong đó: $h_{sun}$ là số giờ nắng đỉnh trung bình ngày trong năm tại vị trí khảo sát (tại TP.HCM lấy giá trị $5{,}02$ giờ); $\eta$ là hệ số tổn thất chung của toàn hệ thống (tính bằng $0{,}8$).
  • Công thức tính dòng nạp định mức tối thiểu của bộ điều khiển sạc ($I_{ch_max}$): $$I_{ch_max} = N_{PV} \times I_{sc} \times 1{,}25$$ Trong đó: $I_{sc}$ là dòng ngắn mạch của tấm pin quang điện; $1{,}25$ là hệ số an toàn thiết kế.
  • Đánh giá chất lượng phát điện của hệ thống dựa trên khái niệm Tỷ số hiệu suất (Performance Ratio - PR) theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 13083-2:2020 (tương đương tiêu chuẩn quốc tế IEC TS 61724-2:2016): $$PR = \frac{\text{Sản lượng năng lượng thực tế (kWh)}}{\text{Sản lượng năng lượng lý thuyết (kWh)}}$$ Sản lượng lý thuyết được xác định thông qua diện tích bề mặt tấm thu ($A_{pv}$), hiệu suất danh định của module ($\eta$) và tổng xạ bề mặt nghiêng ($G$ tính bằng $W/m^2$) ghi nhận từ thiết bị đo nhiệt dịch.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  1. Mô phỏng tiền khả thi: Sử dụng phần mềm chuyên ngành PVsyst phiên bản Stand-alone nhằm thiết lập cấu hình hệ thống, mô phỏng biểu đồ phụ tải theo giờ (Hourly distribution), tính toán bức xạ tại góc nghiêng 15 độ hướng Nam và khảo sát ảnh hưởng của các mức dung lượng bình lưu trữ khác nhau đến hệ số PR và chi phí đầu tư.
  2. Chế tạo phần cứng thực nghiệm: Gia công cơ khí khung giá đỡ tấm pin cố định góc nghiêng $15^\circ$; tích hợp tủ điện kỹ thuật chứa vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch băm xung công suất MOSFET D4184, module thời gian thực RTC DS3231, cảm biến ánh sáng LDR, cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động PIR HC-SR501 và mạch nguồn ổn áp DC-DC.
  3. Quan trắc và thu thập dữ liệu: Sử dụng cảm biến bức xạ chuẩn trạm khí tượng Pyranometer Kipp & Zonen SMP10 (đạt chuẩn ISO Class A - Secondary standard, dải phổ $285 - 2800\text{ nm}$, giao thức Modbus RS-485) lắp đặt song song mặt phẳng tấm thu nhằm đo đạc chính xác mật độ thông lượng bức xạ mặt trời theo chu kỳ thực nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh theo quy chuẩn kỹ thuật cho hệ thống điện mặt trời độc lập công suất nhỏ, bao gồm cấu trúc phần cứng và thuật toán điều khiển tự động.

Thông số kỹ thuật các thiết bị phần cứng

Thành phần Tên thiết bị / Model Thông số kỹ thuật chính trích xuất từ văn bản
Tấm pin quang điện Polycrystalline 40Wp Công suất đỉnh $P_{max} = 40\text{ Wp}$; $V_{mp} = 18{,}5\text{ V}$; $I_{mp} = 2{,}0\text{ A}$; $V_{oc} = 21{,}5\text{ V}$; $I_{sc} = 2{,}4\text{ A}$; kích thước $670 \times 430 \times 25\text{ mm}$; trọng lượng $3\text{ kg}$
Bình lưu trữ Acquy Acid-chì 12V-30Ah Điện áp danh định $12\text{ V}$; dung lượng $30\text{ Ah}$; kích thước $181 \times 77 \times 167\text{ mm}$; trọng lượng $6{,}6\text{ kg}$
Bộ điều khiển nạp Solar Charge Controller PWM 30A Điện áp tự động $12\text{V} / 24\text{V}$; dòng nạp định mức $30\text{ A}$; dòng tải định mức $30\text{ A}$; bảo vệ quá tải $120%/5\text{ phút}$, ngắt tức thời khi ngắn mạch
Tải chiếu sáng Đèn LED pha DC Điện áp hoạt động $12\text{ V}$; dòng điện định mức $2\text{ A}$; công suất danh định $25\text{ W}$ (lắp đặt cụm 2 đèn, tổng công suất vận hành tính toán $45\text{ W}$)
Vi điều khiển trung tâm Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328P (8-bit, $16\text{ MHz}$); bộ nhớ Flash $32\text{ KB}$, SRAM $2\text{ KB}$; điện áp nguồn $5\text{ VDC}$; dòng tiêu thụ $30\text{ mA}$; tích hợp 6 ngõ ra băm xung PWM
Định thời gian thực Module RTC DS3231 Điện áp hoạt động $3{,}3 - 5\text{ V}$; giao tiếp I2C tốc độ $400\text{ kHz}$; duy trì chính xác giờ, phút, giây, lịch ngày tháng năm
Cảm biến quang Module quang trở LDR Điện áp $3{,}3 - 5\text{ VDC}$; ngõ ra kép (Analog $0 - 5\text{ V}$ đo độ rọi và Digital TTL mức thấp nhận biết ngưỡng tối); có biến trở điều chỉnh độ nhạy
Cảm biến chuyển động Module PIR HC-SR501 Điện áp $3{,}8 - 5\text{ VDC}$; góc quét hình nón $360^\circ$; cự ly quét tối đa $6\text{ m}$; điều chỉnh được thời gian trễ và độ nhạy
Mạch băm công suất Module MOSFET D4184 PWM Dòng điện tối đa $30\text{ A}$; công suất chịu tải tối đa $400\text{ W}$; tần số đóng cắt hỗ trợ $20\text{ kHz}$; tín hiệu kích điều khiển $3{,}3 - 20\text{ VDC}$
Mạch ổn áp nguồn Module Buck/Boost DC-DC 150W Điện áp vào $10 - 32\text{ V}$; điện áp ra tùy chỉnh $12 - 35\text{ V}$; dòng ngõ ra $10\text{ A}$; công suất định mức $150\text{ W}$
Thiết bị đo đối chứng Pyranometer Kipp & Zonen SMP10 Phân loại ISO Class A; thời gian phản hồi $< 0{,}7\text{ s}$; bù nhiệt độ $< 1%$ trong dải $-20^\circ\text{C}$ đến $50^\circ\text{C}$; truyền thông Modbus RS-485

Thuật toán điều khiển hệ thống

Lưu đồ thuật toán điều khiển tự động vận hành trong mạch vi điều khiển Arduino được xây dựng theo chu trình logic sau:

  1. Module thời gian thực RTC DS3231 liên tục kiểm tra khung giờ hệ thống: Điều kiện kích hoạt chiếu sáng bắt buộc nằm trong khoảng từ 18:00 đến 22:00 hàng đêm. Sau 22:00, hệ thống tự động khóa tín hiệu, tắt hoàn toàn đèn chiếu sáng để bảo tồn năng lượng.
  2. Trong khoảng thời gian từ 18:00 đến 22:00, module cảm biến quang LDR kiểm tra điều kiện ánh sáng môi trường: Nếu môi trường còn sáng, vi điều khiển duy trì trạng thái chờ. Khi cảm biến ghi nhận trời đã tối, vi điều khiển xuất tín hiệu PWM kích hoạt MOSFET điều khiển đèn LED sáng ở mức sáng nền $30%$ công suất.
  3. Khi đèn đang ở mức duy trì $30%$, cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 quét phát hiện sự hiện diện của con người:
    • Nếu có tín hiệu chuyển động trong phạm vi giám sát (bán kính dưới $6\text{ m}$), vi điều khiển lập tức điều chỉnh độ rộng xung PWM để đưa đèn lên $100%$ công suất định mức, duy trì liên tục trong thời gian $30$ giây.
    • Hết $30$ giây, nếu cảm biến PIR không còn phát hiện tín hiệu chuyển động, đèn tự động giảm cường độ quang thông về mức nền $30%$.
  4. Vòng lặp quét cảm biến quang và cảm biến chuyển động diễn ra liên tục đến đúng 22:00 thì ngắt toàn bộ tải chiếu sáng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Tình hình chung của điện năng lượng mặt trời

Chương 1 khái quát bức tranh phát triển của ngành công nghiệp điện mặt trời trên phạm vi quốc tế và nội địa. Văn bản trích dẫn các báo cáo từ SolarPower Europe, Ember, CREA, IEEFA và Rystad Energy để minh họa xu thế tăng trưởng công suất tại các thị trường trọng điểm như Châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản. Tại Việt Nam, tác giả phân tích các số liệu về nhu cầu phụ tải điện thương phẩm giai đoạn 2011–2020 tăng trưởng trung bình $10{,}5%$/năm, sản lượng điện năm 2020 đạt 215 tỷ kWh so với mức 93 tỷ kWh của năm 2011. Từ bối cảnh khó khăn về nguồn cung thủy điện và nhiệt điện than, chương này dẫn chứng các định hướng chiến lược trong Quy hoạch điện VIII nhằm phát huy nguồn năng lượng tái tạo. Đồng thời, chương 1 trình bày mục tiêu nghiên cứu, lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ việc bảo vệ tuổi thọ acquy đèn mặt trời, phương pháp tiếp cận và các giới hạn về mặt kinh phí cũng như tính năng kỹ thuật của đề tài.

Khái niệm hệ thống điện năng lượng mặt trời và Tổng quan về hệ thống đèn NLMT

(Phần nội dung tổng quan lý thuyết thuộc Chương 1 và Chương 2 theo bố cục văn bản). Phần này cung cấp cơ sở phân loại ba mô hình điện mặt trời cơ bản: nối lưới (On-Grid), độc lập (Off-Grid) và kết hợp (Hybrid), nêu rõ ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của từng loại hình. Tiếp đó, tài liệu phân tích chi tiết cấu trúc phần cứng của đèn năng lượng mặt trời thương mại gồm: tấm quang điện, module đèn LED hiệu suất cao, bộ điều khiển sạc thông minh và hệ thống lưu trữ điện năng. Tác giả tổng hợp chu trình hoạt động nạp - xả ngày và đêm của thiết bị chiếu sáng, phân loại các dòng đèn phổ biến trên thị trường (đèn đường, đèn pha LED tán xạ rộng, đèn trụ sân vườn và đèn gắn tường) và trình bày phương pháp luận tính toán các thông số thành phần kèm tiêu chuẩn kỹ thuật đánh giá PR theo IEC TS 61724-2:2016.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÈN NLMT

Chương này mô tả toàn bộ quá trình tính toán kỹ thuật và triển khai mô hình phần cứng. Phụ tải hệ thống được xác định gồm cụm 2 đèn LED có tổng công suất vận hành $45\text{ W}$ hoạt động 4 giờ/ngày ($18:00 - 22:00$, tiêu thụ $180\text{ Wh}$) kết hợp mạch điều khiển và các cảm biến tiêu thụ $0{,}2\text{ W}$ hoạt động 24/24 ($5\text{ Wh}$), tổng nhu cầu điện năng ngày $A = 185\text{ Wh/ngày}$.

  • Theo công thức lý thuyết, dung lượng acquy 12V với 1 ngày tự quản và độ xả sâu $50%$ được tính ra là $33{,}5\text{ Ah}$; công suất tấm pin tương ứng với $5{,}02$ giờ nắng là $46\text{ Wp}$.
  • Nhóm tác giả tận dụng tấm pin có sẵn công suất $40\text{ Wp}$ và tiến hành mô phỏng 7 bước trên PVsyst cho hệ thống Off-Grid tại góc nghiêng $15^\circ$ (bức xạ mặt phẳng nghiêng đạt $1813\text{ kWh/m}^2$).
  • Kết quả mô phỏng dung lượng lưu trữ trên PVsyst cho thấy phương án chọn bình $30\text{ Ah}$ đạt PR $68{,}3%$ với chi phí $650.000$ VNĐ là tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật so với bình $33\text{ Ah}$ hay $34\text{ Ah}$ (đạt PR $69{,}3%$ nhưng giá thành cao hơn đáng kể).
  • Toàn bộ sơ đồ đấu nối mạch, lưu đồ thuật toán điều khiển PWM và kết cấu khung cơ khí lắp đặt thiết bị đo bức xạ Kipp & Zonen SMP10 được chuẩn hóa chi tiết trong chương này.

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương 4 trình bày các số liệu đo kiểm thực nghiệm thu được từ mô hình vật lý. Tác giả tiến hành đo đạc và so sánh công suất tiêu thụ của hệ thống trong khung giờ từ 18:00 đến 22:00 (thời lượng 4 giờ) thông qua 4 trường hợp (kịch bản) mô phỏng hành vi sử dụng thực tế. Số liệu bức xạ mặt trời, sản lượng điện sinh ra và hệ số PR được giám sát liên tục trong chuỗi 3 ngày thực nghiệm ($05/06/2024 - 07/06/2024$). Dựa trên dữ liệu vận hành, chương này lượng hóa mức độ suy giảm tiêu thụ điện năng, tính toán mức phát thải khí nhà kính $\text{CO}_2$ tránh được trong một năm và đánh giá hiệu quả đầu tư kinh tế của việc tích hợp mạch vi điều khiển độ sáng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đo kiểm thực nghiệm công suất tiêu thụ

Kết quả khảo sát công suất tiêu thụ trung bình của hệ thống đèn trong thời gian 4 giờ (18:00 đến 22:00) qua 4 trường hợp vận hành được ghi nhận như sau:

Trường hợp Mô tả điều kiện vận hành trong khung giờ 18:00 - 22:00 Công suất trung bình Nhận xét mức tiêu thụ
Trường hợp 1 (TH1) Có mạch điều khiển tự động; đèn sáng nền $30%$; định kỳ cứ mỗi 2 phút có người đi qua kích hoạt đèn sáng $100%$ trong 30 giây (tổng cộng 120 chu kỳ kích sáng $100%$ trong 4 giờ) 16,33 W Tiết kiệm $52{,}06%$ năng lượng so với TH4
Trường hợp 2 (TH2) Có mạch điều khiển tự động; không có người đi qua khu vực giám sát; đèn duy trì ổn định ở mức sáng nền $30%$ công suất suốt 4 giờ 12,01 W Tiết kiệm $64{,}74%$ năng lượng so với TH4
Trường hợp 3 (TH3) Có mạch điều khiển tự động; đèn sáng nền $30%$; định kỳ cứ mỗi 3 phút có người đi qua kích hoạt đèn sáng $100%$ trong 30 giây (tổng cộng 80 chu kỳ kích sáng $100%$ trong 4 giờ) 14,71 W Tiết kiệm $56{,}81%$ năng lượng so với TH4
Trường hợp 4 (TH4) Không sử dụng mạch điều khiển tự động; đèn LED phát quang liên tục ở mức công suất danh định $100%$ trong suốt 4 giờ 34,06 W Mức tiêu thụ tối đa của tải không qua điều khiển

Số liệu thực nghiệm cho thấy việc vận hành đèn không có mạch điều khiển (TH4) tiêu hao mức công suất trung bình $34{,}06\text{ W}$, cao hơn gấp đôi so với các trường hợp có mạch điều khiển khi có người qua lại mật độ cao (TH1 đạt $16{,}33\text{ W}$, TH3 đạt $14{,}71\text{ W}$) và gần gấp ba lần so với trạng thái duy trì nền (TH2 đạt $12{,}01\text{ W}$).

Đóng góp kỹ thuật và giải pháp đề xuất

  • Đồ án đã hiện thực hóa giải pháp điều khiển chiếu sáng linh hoạt bằng thuật toán băm xung PWM điều khiển qua MOSFET thay cho phương thức đóng/ngắt rơ-le cơ học truyền thống, giúp loại bỏ xung dòng điện đột ngột tác động lên bình acquy.
  • Xác lập phương pháp thiết kế phối hợp giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng PVsyst chuyên sâu, giúp lựa chọn chính xác dung lượng hệ lưu trữ ($30\text{ Ah}$) cân bằng giữa tỷ số hiệu suất PR ($68{,}3%$) và chi phí đầu tư thương mại.
  • Giải pháp kiểm soát độ sâu phóng điện (DOD) thông qua việc giảm tải tiêu thụ ban đêm giúp bảo vệ bản cực acquy chì-acid, hạn chế nguy cơ sụt áp xả sâu, từ đó kéo dài tuổi thọ thực tế của hệ thống điện mặt trời độc lập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Căn cứ theo nội dung tự đánh giá trong văn bản, đề tài tồn tại các điểm giới hạn sau:

  • Giới hạn ngân sách: Nguồn kinh phí thực hiện đề tài có hạn, ảnh hưởng đến việc trang bị các linh kiện bán dẫn và vật tư thiết bị cao cấp.
  • Hạn chế tính năng điều khiển: Hệ thống mới chỉ đáp ứng chuyển đổi tức thời giữa hai mức quang thông cố định ($30%$ và $100%$), chưa tích hợp giải thuật làm mờ (dimming) để đèn tăng hoặc giảm độ sáng một cách mượt mà theo từng bước mịn.
  • Hạn chế của cảm biến: Cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động PIR HC-SR501 chưa có khả năng phân biệt đối tượng chuyển động giữa con người và động vật, dẫn đến nguy cơ kích hoạt sai mức sáng cực đại khi có súc vật đi qua.
  • Dữ liệu thực nghiệm: Dữ liệu bức xạ và sản lượng đo đạc bằng cảm biến SMP10 mới chỉ được ghi nhận trong khoảng thời gian ngắn 3 ngày (từ 05/06/2024 đến 07/06/2024), chưa bao quát được biến động thời tiết đa dạng theo mùa tại khu vực nghiên cứu.

Hướng phát triển đề tài

  • Nâng cấp thuật toán điều khiển để độ sáng đèn biến thiên tuyến tính, chuyển mức mượt mà nhằm nâng cao hiệu ứng thẩm mỹ thị giác và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.
  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán xử lý ảnh nhận diện đối tượng hoặc cảm biến vi sóng, cảm biến AI để phân biệt chính xác giữa người và động vật.
  • Tích hợp các module truyền thông không dây (IoT) nhằm giám sát từ xa các thông số điện áp bình, dòng nạp từ tấm PV và trạng thái lỗi của hệ thống theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật điện, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về các bước tính toán hệ thống Off-Grid độc lập; hướng dẫn chi tiết quy trình 7 bước thiết lập dự án mô phỏng trên phần mềm PVsyst (từ góc nghiêng mặt phẳng thu, phân bổ phụ tải đến phân tích tổn thất).
  • Người nghiên cứu và kỹ sư chế tạo thiết bị chiếu sáng thông minh: Cung cấp cấu trúc mạch tích hợp vi điều khiển Arduino UNO R3, module thời gian thực DS3231, cảm biến PIR và mạch băm xung MOSFET điều khiển tải công suất DC.
  • Phần giá trị chuyên môn cao: Phương pháp thực nghiệm đo đạc bức xạ thực tế bằng thiết bị đo chuẩn Class A (Kipp & Zonen SMP10) và phương pháp xác định tỷ số hiệu suất PR thực tế theo tiêu chuẩn TCVN 13083-2:2020 / IEC TS 61724-2:2016.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả tính toán lý thuyết công suất tấm pin là 46 Wp nhưng lại lắp đặt tấm pin 40 Wp trên mô hình thực tế?
Theo kết quả tính toán thiết kế ban đầu dựa trên phụ tải tiêu thụ $185\text{ Wh/ngày}$ và số giờ nắng trung bình tại TP.HCM ($5{,}02\text{ giờ}$), công suất tấm thu lý thuyết yêu cầu là $46\text{ Wp}$. Tuy nhiên, trong điều kiện thực hiện đồ án với ngân sách hạn chế, nhóm tác giả đã tận dụng tấm pin Polycrystalline có sẵn công suất $40\text{ Wp}$ để lắp ráp mô hình thực tế và kiểm chứng hoạt động.

2. Tiêu chí nào giúp nhóm tác giả lựa chọn bình acquy 30 Ah thay vì các mức dung lượng khác trong phần mềm PVsyst?
Dựa trên kết quả mô phỏng trên phần mềm PVsyst, bình acquy dung lượng $33\text{ Ah}$ và $34\text{ Ah}$ cho tỷ số hiệu suất cao nhất ($PR \approx 69{,}3%$). Tuy nhiên, bình $30\text{ Ah}$ đạt tỷ số hiệu suất $PR = 68{,}3%$ (chỉ chênh lệch $1%$) nhưng có giá thành $650.000$ VNĐ, thấp hơn đáng kể so với hai loại trên. Do đó, mức dung lượng $30\text{ Ah}$ được chọn để đảm bảo tính tối ưu giữa hiệu năng kỹ thuật và bài toán kinh tế.

3. Khung giờ và logic kích hoạt độ sáng của hệ thống được lập trình như thế nào?
Module RTC DS3231 giới hạn khung giờ làm việc của hệ thống từ 18:00 đến 22:00. Trong khoảng thời gian này, khi cảm biến LDR nhận biết trời tối, đèn sẽ phát quang ở mức nền $30%$ công suất. Nếu cảm biến PIR HC-SR501 phát hiện có chuyển động trong bán kính $6\text{ m}$, đèn sẽ bật sáng $100%$ công suất trong đúng $30$ giây rồi tự động quay về mức $30%$. Đúng 22:00, hệ thống tự động tắt đèn hoàn toàn.

4. Thiết bị nào được sử dụng để đo đạc thông lượng bức xạ mặt trời đối chứng trong đề tài?
Tác giả sử dụng cảm biến bức xạ nhiệt dịch Pyranometer Kipp & Zonen SMP10 đạt chuẩn ISO Class A (Secondary standard). Thiết bị có dải phổ đo $285 - 2800\text{ nm}$, thời gian phản hồi dưới $0{,}7$ giây, kết nối truyền thông qua giao thức Modbus RS-485 và được bố trí đồng phẳng với tấm pin ở góc nghiêng $15^\circ$.

5. Mức tiêu thụ điện năng của đèn khi có mạch điều khiển tự động giảm được bao nhiêu so với khi không có mạch điều khiển?
Theo số liệu đo thực nghiệm trong 4 giờ (18:00 - 22:00), đèn không có mạch điều khiển (TH4) tiêu thụ trung bình $34{,}06\text{ W}$. Khi tích hợp mạch điều khiển, công suất trung bình tiêu thụ giảm xuống còn $16{,}33\text{ W}$ ở kịch bản kích hoạt 120 lần/4 giờ (TH1, tiết kiệm $52{,}06%$), $14{,}71\text{ W}$ ở kịch bản kích hoạt 80 lần/4 giờ (TH3, tiết kiệm $56{,}81%$) và $12{,}01\text{ W}$ ở trạng thái không có người (TH2, tiết kiệm $64{,}74%$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc tính toán, mô phỏng trên phần mềm PVsyst và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hệ thống đèn năng lượng mặt trời công suất nhỏ tự động điều chỉnh độ sáng. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định giải pháp tích hợp mạch vi điều khiển kết hợp cảm biến chuyển động và cảm biến quang giúp giảm hơn $50%$ công suất tiêu thụ điện năng so với chế độ phát quang liên tục truyền thống. Nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn về cấu trúc phần cứng, giải thuật điều khiển xung PWM và phương pháp đánh giá hiệu suất PR cho các ứng dụng chiếu sáng độc lập bằng năng lượng tái tạo.