Hệ thống điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ

Đồ án hệ thống điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Ngô Vũ Khương
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thành Công
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo
• Đề tài: Hệ thống điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ

Năng lượng mặt trời giữ vai trò then chốt trong quá trình chuyển dịch năng lượng xanh. Tuy nhiên, góc chiếu của ánh sáng mặt trời liên tục thay đổi theo thời gian thực. Tấm pin mặt trời cố định thường đối mặt với tình trạng tổn thất quang năng lớn vào đầu buổi sáng và cuối buổi chiều. Do đó, đề tài nghiên cứu từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) phát triển mô hình điều hướng thông minh nhằm giải quyết hạn chế này. Hệ thống điều hướng tự động xoay chuyển góc nghiêng bề mặt pin theo cường độ bức xạ cao nhất. Cảm biến chuyên dụng thu thập dữ liệu bức xạ quang học trong không gian. Bộ xử lý trung tâm tính toán sai lệch góc để phát tín hiệu điều khiển động cơ chấp hành. Cấu trúc cơ khí phản hồi nhịp nhàng giúp tấm pin luôn vuông góc với các chùm tia sáng. Mô hình thử nghiệm mang lại hiệu suất tiếp nhận bức xạ vượt trội, tối ưu hóa công suất phát điện của pin quang điện. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế rất lớn cho các khu vực dân cư và doanh nghiệp nhỏ.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT TPHCM

Khoa Cơ khí Động lực thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM định hướng nghiên cứu sâu về giải pháp năng lượng tái tạo. Nhóm nghiên cứu ngành Năng lượng tái tạo triển khai đồ án với mục tiêu chế tạo hệ thống tự động bám bức xạ. Nhu cầu phụ tải điện tại Việt Nam tăng nhanh, đòi hỏi giải pháp tối ưu nguồn phát quang điện phân tán. Đề tài tập trung xây dựng mô hình thu nhỏ có độ tin cậy cao, phù hợp điều kiện thời tiết nhiệt đới. Nhóm thực hiện thiết kế chi tiết từ khung cơ khí, mạch giao tiếp đến thuật toán điều khiển công nghiệp. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển thiết bị tự động hóa chuyên sâu trong lĩnh vực năng lượng sạch.

1.2. Mục tiêu và phạm vi ứng dụng của đề tài

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là hoàn thiện hệ thống cơ điện tử bám sát điểm bức xạ cực đại. Hệ thống hướng đến quy mô công suất nhỏ và trung bình, phục vụ trực tiếp cho hộ gia đình và cơ sở kinh doanh độc lập. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong điều kiện khí hậu bình thường, không áp dụng cho thời tiết cực đoan như bão lũ hay lốc xoáy. Thiết bị sử dụng cảm biến bức xạ thời gian thực thay vì định vị GPS cố định. Cách tiếp cận này giúp giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu, đồng thời duy trì độ chính xác cao khi trời nhiều mây che khuất. Mô hình đem lại giải pháp thực tiễn, thúc đẩy quá trình nội địa hóa thiết bị năng lượng tái tạo.

II. Thách thức điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ

Các giàn pin mặt trời lắp đặt theo góc cố định bộc lộ nhiều điểm yếu về hiệu suất. Mặt trời di chuyển liên tục từ đông sang tây theo chu kỳ ngày đêm. Khi góc chiếu xiên, mật độ bức xạ quang học tiếp xúc trực tiếp trên tấm pin giảm mạnh. Hiện tượng phản xạ ánh sáng làm hao hụt đáng kể sản lượng điện tạo ra. Sự sụt giảm công suất thấy rõ nhất vào các khung giờ sáng sớm hoặc xế chiều. Phương pháp điều hướng theo quỹ đạo thiên văn cố định cũng gặp trở ngại lớn. Thời tiết nhiệt đới tại miền Nam Việt Nam thường xuyên xuất hiện mây tán xạ rải rác. Vị trí mặt trời biểu kiến đôi khi không phải là nơi cung cấp cường độ sáng cực đại. Lúc này, hệ thống bám quang học thông thường dễ bị dao động sai lệch hoặc tiêu hao năng lượng truyền động vô ích. Các giải pháp cơ điện truyền thống thiếu thuật toán lọc nhiễu tín hiệu quang. Điều này gây hao mòn thiết bị cơ khí và giảm tuổi thọ động cơ. Do đó, việc xây dựng mô hình cảm biến bức xạ thông minh trở thành yêu cầu cấp thiết.

2.1. Tổn thất quang năng ở hệ thống giàn pin cố định

Giàn pin cố định chỉ đạt hiệu suất tối ưu trong khoảng hai giờ đồng hồ quanh buổi trưa. Thời gian còn lại trong ngày, góc tới của tia sáng lệch xa pháp tuyến bề mặt pin. Tỷ lệ phản xạ bề mặt tăng cao khi góc tới vượt quá 45 độ. Tấm quang điện mất tới 30% đến 40% sản lượng năng lượng khả dụng mỗi ngày. Đối với các hộ gia đình hoặc cơ sở sản xuất, sự lãng phí này kéo dài thời gian hoàn vốn đầu tư. Hệ thống cố định hoàn toàn bất lực trong việc tự điều chỉnh để bù đắp góc chiếu nghiêng. Nhược điểm vật lý này thúc đẩy việc áp dụng các trục quay cơ điện tự động.

2.2. Khó khăn khi thu thập dữ liệu bức xạ thời gian thực

Đo đạc bức xạ ngoài trời luôn chịu tác động của bụi bẩn, nhiệt độ môi trường và mây che cục bộ. Các quang trở thông thường phản hồi chậm và dễ bị lão hóa nhanh dưới nắng gắt. Tín hiệu điện áp analog truyền xa thường xuyên bị nhiễu do xung điện từ động cơ. Sự trôi cảm biến khiến cơ cấu chấp hành đảo chiều liên tục mà không đạt góc tối ưu. Tình trạng này gây sụt giảm tuổi thọ của bộ truyền động bánh răng và tăng tổn hao điện năng tự dùng. Việc lựa chọn cảm biến bức xạ chuyên dụng hỗ trợ chuẩn truyền thông số hóa trở thành nút thắt kỹ thuật quan trọng của toàn bộ hệ thống.

III. Giải pháp điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ

Nhóm kỹ sư Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đề xuất giải pháp điều khiển tự động hoàn chỉnh. Trung tâm điều khiển sử dụng bộ lập trình khả trình PLC Siemens S7-1200 mạnh mẽ và bền bỉ. Hệ thống tích hợp board truyền thông RS485 CB1241 để kết nối mạng Modbus RTU công nghiệp. Cảm biến bức xạ mặt trời liên tục gửi dữ liệu quang thông qua cổng giao tiếp nối tiếp chuẩn xác. Cấu trúc phần cứng được cấp nguồn ổn định qua các bộ nguồn tổ ong 24VDC và 12VDC. Nguồn 24VDC chuyên biệt cấp năng lượng cho khối PLC và các rơ le trung gian. Nguồn 12VDC vận hành cơ cấu động cơ điều hướng xoay tấm pin. Toàn bộ thiết bị điện được bố trí khoa học bên trong tủ điện bảo vệ kích thước 40x30x20cm. Thuật toán điều khiển so sánh chênh lệch bức xạ giữa các điểm đo theo thời gian thực. Khi sai lệch vượt ngưỡng cho phép, PLC xuất lệnh điều khiển động cơ xoay góc tấm pin về hướng sáng nhất. Cơ chế chốt góc thông minh giúp hệ thống đứng yên khi mức bức xạ đã cân bằng, tiết kiệm tối đa điện năng tiêu thụ.

3.1. Cấu hình phần cứng PLC S7 1200 và board CB1241

Bộ điều khiển PLC S7-1200 đóng vai trò bộ não tiếp nhận và xử lý tín hiệu trung tâm. Thiết bị đảm bảo khả năng vận hành ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Nhằm giao tiếp với cảm biến Modbus RTU, hệ thống gắn kèm module CB1241 RS485 nhỏ gọn. Module này hỗ trợ tốc độ truyền thông linh hoạt, mở rộng kết nối lên tới 247 thiết bị phụ. Nguồn cấp tổ ong công nghiệp 120W chuyển đổi lưới điện xoay chiều thành dòng một chiều ổn định. Thiết kế cách ly quang học bảo vệ an toàn cho bộ vi xử lý trước các nguy cơ sốc điện hoặc ngắn mạch ngoài hiện trường.

3.2. Thuật toán điều khiển động cơ bám nguồn bức xạ

Thuật toán điều khiển xây dựng trên nền tảng chu trình quét liên tục của PLC. Cảm biến bức xạ quét dữ liệu quang học và truyền về thông qua chuẩn Modbus RS485. Chương trình tính toán giá trị chênh lệch cường độ chiếu sáng giữa các góc phần tư. Nếu độ chênh vượt ngưỡng dung sai cài đặt trước, PLC sẽ kích hoạt rơ le cấp nguồn cho động cơ DC. Động cơ xoay tấm pin theo trục tương ứng cho đến khi sai lệch bức xạ tiệm cận về 0. Thuật toán tích hợp cơ chế trễ để ngăn chặn động cơ bật tắt liên tục khi thời tiết nhiều mây che mờ.

IV. Ứng dụng điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ

Mô hình nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra giải pháp gia tăng sản lượng quang điện đầy hứa hẹn. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động chính xác, ổn định trong các điều kiện nắng gió thông thường. Khả năng bám bức xạ tự động giúp giàn pin duy trì góc đón nắng lý tưởng suốt cả ngày. Sản lượng điện năng sinh ra tăng từ 20% đến 30% so với cấu hình đặt cố định truyền thống. Hệ thống đặc biệt tương thích với các ứng dụng quy mô dân dụng và trạm viễn thông độc lập. Kích thước tủ điện gọn gàng tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt trên mái nhà dân hoặc xưởng sản xuất nhỏ. Chi phí bảo trì thấp nhờ cơ chế vận hành bền bỉ của PLC công nghiệp và cảm biến kỹ thuật số. Trong tương lai, mô hình có thể phát triển tích hợp giám sát dữ liệu đám mây qua IoT. Sự kết hợp này hỗ trợ người vận hành theo dõi sản lượng điện từ xa theo thời gian thực. Đề tài đóng góp thiết thực cho nỗ lực phát triển năng lượng xanh bền vững tại các đô thị hiện đại.

4.1. Khả năng triển khai tại các hộ gia đình và nông trại

Quy mô thiết kế nhỏ gọn giúp hệ thống dễ dàng thích ứng với không gian mái nhà dân dụng hoặc nông trại nhỏ. Mô hình không đòi hỏi diện tích lắp đặt quá lớn như các trạm năng lượng mặt trời công nghiệp. Cấu trúc khung xoay chắc chắn đảm bảo an toàn cơ học dưới tác động của gió thường ngày. Thiết bị cung cấp nguồn điện ổn định cho hệ thống bơm tưới nông nghiệp và thiết bị gia dụng thiết yếu. Việc tối ưu hóa điện lượng phát ra giúp rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư ban đầu cho các chủ hộ. Giải pháp tạo điều kiện đẩy mạnh mô hình tự cung tự cấp điện sạch tại địa phương.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp công nghệ tương lai

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài tập trung vào việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và kết nối vạn vật IoT. PLC có thể truyền dữ liệu sản lượng và thông số bức xạ lên máy chủ điện toán đám mây theo thời gian thực. Thuật toán máy học sẽ dự đoán trước quỹ đạo ánh sáng dựa trên dữ liệu khí tượng lịch sử. Cơ chế này giúp hệ thống chủ động điều chỉnh vị trí tấm pin trước khi mây xuất hiện che khuất. Nghiên cứu mở rộng việc kết hợp cảm biến gió để tự động gập pin về vị trí nằm ngang khi có bão lớn. Các cải tiến kỹ thuật này nâng cao tính an toàn và độ tin cậy vận hành lâu dài.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện mặt trời áp mái (Rooftop Solar) đang trở thành giải pháp khai thác năng lượng tái tạo phổ biến tại các hộ gia đình, cơ sở thương mại và xí nghiệp sản xuất. Phương thức này không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng mà còn góp phần giảm phát thải carbon ra môi trường. Tuy nhiên, hiệu suất vận hành của hệ thống quang điện phụ thuộc chặt chẽ vào vị trí lắp đặt và góc chiếu của chùm tia mặt trời lên bề mặt tấm pin. Trong mô hình lắp đặt cố định truyền thống, góc tới của ánh sáng liên tục biến thiên trong ngày và theo mùa, khiến tấm pin không thể hấp thu tối đa lượng bức xạ mặt trời khả dụng. Để khắc phục nhược điểm này, việc phát triển hệ thống điều hướng tự động bám theo hướng bức xạ là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm tối ưu hóa lượng quang năng thu nhận.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

1. Thiết kế và phát triển hệ thống điều hướng tự động cho tấm pin năng lượng mặt trời: Xây dựng cơ cấu có khả năng tự động điều chỉnh hướng và góc nghiêng của tấm pin để bề mặt luôn hướng về phía có bức xạ mặt trời mạnh nhất.
2. Nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời: Tối ưu hóa sản lượng điện năng phát sinh thông qua cơ chế định hướng chính xác tia tới.
3. Phân tích và đánh giá hiệu quả của hệ thống điều hướng: Thực nghiệm đối chứng và đánh giá định lượng các chỉ số kỹ thuật giữa hệ thống điều hướng tự động và hệ thống pin cố định.

Nhiệm vụ nghiên cứu được giao gồm:

1. Thiết kế mô hình điều hướng tấm pin.
2. Tổng kết, kiến nghị về đề tài.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình điều hướng quang điện hai trục, tấm pin mặt trời đơn tinh thể (Mono-crystalline), động cơ cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu, gia công, lắp đặt và thực nghiệm đo đạc trực tiếp tại khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khu vực sảnh tầng 1 tòa F).
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 22/08/2024 và hoàn thành bảo vệ vào tháng 01/2025.
• Giới hạn vận hành: Hệ thống được thiết kế để vận hành trong điều kiện khí hậu và thời tiết tiêu chuẩn; không áp dụng cho các điều kiện thời tiết cực đoan như bão lớn hay tuyết dày; đối tượng thử nghiệm giới hạn trên một tấm pin công suất vừa và nhỏ phục vụ mô hình nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, tiềm năng bức xạ tại Việt Nam phân bố không đồng đều giữa các vùng địa lý, trong đó khu vực miền Trung và miền Nam có cường độ chiếu sáng trung bình đạt khoảng 5 kWh/m²/ngày, cao hơn so với mức trung bình khoảng 4 kWh/m²/ngày tại khu vực phía Bắc. Tấm pin quang điện vận hành dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: photon ánh sáng kích thích các electron tự do và lỗ trống di chuyển qua tiếp giáp P-N tạo thành dòng điện một chiều (DC). Hiệu suất chuyển đổi của pin chịu tác động từ nhiều yếu tố ngoại cảnh: góc nghiêng lắp đặt, góc phương vị, bụi bẩn, bóng râm và đặc biệt là nhiệt độ. Khi nhiệt độ vượt quá mức tiêu chuẩn (25°C), điện áp hở mạch (Voc) và công suất đầu ra suy giảm theo hệ số nhiệt độ đặc trưng (ví dụ -0,4%/°C), đồng thời nguy cơ tạo ra các điểm nóng (hot spots) gây tổn hại tế bào quang điện.

Hệ thống điều hướng mặt trời (Solar Tracker), khởi nguồn từ mô hình cơ học năm 1990 của F.Al Naima và N.Yaghobiam, được phân loại thành hệ thống một trục (Single-axis) và hệ thống hai trục (Dual-axis). Hệ thống hai trục cho phép điều chỉnh đồng thời góc phương vị (Azimuth) và góc cao độ (Elevation), đảm bảo tia bức xạ luôn duy trì góc tới vuông góc với mặt pin trong suốt chu kỳ chuyển động của mặt trời.

Vị trí mặt trời được tính toán dựa trên các công thức thiên văn học:

• Góc lệch theo ngày thứ $N$ trong năm: $\delta = 23.45 \cdot \sin\left(\frac{360}{365}(284 + N)\right)$
• Góc giờ $h$: $h = (AST - 12) \cdot 15^\circ$
• Góc cao độ $\alpha$: $\sin(\alpha) = \sin(L)\sin(\delta) + \cos(L)\cos(\delta)\cos(h)$ (với $L$ là vĩ độ quan sát)
• Góc phương vị $z$: $\sin(z) = \frac{\cos(\delta)\sin(h)}{\cos(\alpha)}$, kèm theo điều kiện xác định góc theo buổi sáng ($Z_{sun} = -\pi + |z_{sun}|$) và buổi chiều ($z_{sun} = \pi - z_{sun}$).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua 5 bước:

1. Nghiên cứu tài liệu và lý thuyết: Tổng hợp kiến thức về bức xạ, thiết bị quang điện, công nghệ cảm biến và tự động hóa.
2. Phân tích yêu cầu và thiết kế hệ thống: Tính toán tải trọng cơ khí, lựa chọn linh kiện và lập sơ đồ nguyên lý điện.
3. Xây dựng mô hình thực nghiệm: Gia công kết cấu khung, lắp đặt động cơ, bố trí tủ điều khiển và đấu nối cảm biến.
4. Thử nghiệm thực tế và thu thập dữ liệu: Vận hành hệ thống ngoài trời theo các kịch bản thời tiết để ghi nhận các thông số điện áp hở mạch, dòng ngắn mạch và mật độ bức xạ.
5. Phân tích dữ liệu và đánh giá: So sánh số liệu đo đạc thực tế giữa hệ thống bám bức xạ và hệ cố định để kết luận về hiệu quả năng lượng.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu là số liệu thực nghiệm đo đạc từ cảm biến bức xạ mặt trời chuẩn RS485 và các giá trị dòng - áp đo trực tiếp trên tấm pin trong quá trình thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế tích hợp giữa kết cấu cơ khí hai trục và hệ thống điều khiển tự động sử dụng thiết bị công nghiệp.

Các thông số kỹ thuật của trang thiết bị phần cứng được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Hạng mục thiết bị	Tên thiết bị / Model	Thông số kỹ thuật chính
Tấm pin quang điện	AE 380M6-72	Công suất: 380W; Vmp: 39,17V; Voc: 47,59V; Imp: 9,57A; Isc: 9,82A; Hiệu suất: 19,16%; Kích thước: 1956 x 992 x 40 mm; Trọng lượng: 21 kg; Loại cell: Mono-crystalline (6 x 12 cells).
Bộ truyền động	Động cơ chuyên dụng Cone-Drive	Điện áp: 24 VDC; Dòng điện: < 1,2A; Tốc độ đầu ra: 0,048 rpm; Mô-men xoắn đầu ra: 400 N.m; Tỉ số truyền: 575:1; Độ chính xác: < 0,2°; Khối lượng: 38 kg; Cơ cấu: Trục vít - bánh vít.
Cảm biến bức xạ	ES-PR-300AL-RA	Dải đo: 0 - 1800 W/m²; Độ phân giải: 1 W/m²; Giao thức giao tiếp: RS485; Nguồn cấp: 7 - 30 VDC; Công suất tiêu thụ: 0,06W; Tấm che bụi truyền quang: 95%.
Bộ điều khiển lập trình	Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	Nguồn cấp: 20,8 - 28,8 VDC; Bộ nhớ làm việc: 100 KB; Bộ nhớ nạp: 4 MB; Tích hợp: 14 ngõ vào số DI, 10 ngõ ra số DO, 2 ngõ vào tương tự Analog.
Bo mạch truyền thông	Siemens CB 1241 RS485	Giao diện: RS485; Dòng tiêu thụ: 50 mA; Công suất tổn thất: 1,5W; Hỗ trợ tối đa: 247 Slave; Dải địa chỉ: 1 - 49999; Khối lượng: 40g.
Nguồn cấp một chiều	Phoenix Contact QUINT-PS & Model S-120-12	Nguồn 24VDC: 120W, dải áp vào 100-240 VAC; Nguồn 12VDC: 120W, dòng định mức 10A, dải áp vào 180-240 VAC.
Vỏ tủ điện	Tủ nhựa chuyên dụng	Kích thước: 400 x 300 x 200 mm; Chứa PLC, relay trung gian 14 chân, bộ nguồn và hệ thống cầu đấu.

Kết cấu cơ khí được thiết kế dưới dạng khung thép module tháo rời, liên kết bằng bu-lông cố định, đỡ tấm pin ở độ cao tương quan với người vận hành và tích hợp trực tiếp tủ điện trên thân giá đỡ. Cơ cấu chấp hành sử dụng hệ truyền động trục vít - bánh vít giúp tự hãm vị trí, duy trì độ ổn định trước tác động của gió mà không tiêu hao thêm năng lượng giữ tải.

Về phần mềm điều khiển, chương trình được lập trình trên nền tảng Siemens TIA Portal V17. Cấu trúc chương trình bao gồm:

• Khối đếm xung tốc độ cao (HSC): Giám sát phản hồi vị trí của động cơ trục cao độ (M1-EL) và trục phương vị (M2-AZ).
• Khối truyền thông Modbus RTU: Đọc định kỳ dữ liệu cường độ bức xạ từ cảm biến ES-PR-300AL-RA qua bo mạch CB 1241.
• Khối thuật toán tính toán vị trí mặt trời (SPA): Xử lý tọa độ thiên văn kết hợp chuyển đổi xung bước góc trong phạm vi từ 0 đến 150 độ.
• Hệ thống điều khiển hai chế độ: Chế độ thủ công (Manual) điều khiển từng trục thông qua nút nhấn và chế độ tự động theo thời gian thực (Realtime) điều phối động cơ xoay góc nghiêng tối ưu theo bức xạ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong việc nâng cao hiệu quả khai thác điện mặt trời áp mái. Tác giả xác định các mục tiêu cốt lõi về mặt thiết kế mô hình cơ điện tử, tối ưu hóa công suất phát và đánh giá định lượng thông qua thử nghiệm thực tế. Chương này cũng phân định rõ ràng các phương pháp tiếp cận từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế kỹ thuật, chế tạo mô hình đến thu thập dữ liệu; đồng thời đặt ra các giới hạn nghiên cứu về quy mô công suất, chủng loại pin và điều kiện vận hành khí tượng thông thường.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời và tiềm năng khai thác tại Việt Nam theo từng vùng miền. Tác giả phân tích sâu nguyên lý chuyển đổi quang - điện, các nhân tố vật lý làm suy giảm công suất tấm pin như góc tới, bóng râm, nhiệt độ vận hành và hiện tượng điểm nóng. Tiếp đó, chương sách hệ thống hóa các dạng công nghệ Solar Tracker (một trục và hai trục), cơ chế truyền động cơ khí trục vít - bánh vít, cấu tạo và nguyên lý của hai dòng cảm biến bức xạ tiêu chuẩn (Pyranometer và Pyrheliometer). Phần cuối chương làm rõ cấu tạo, nguyên lý quét vòng và tập lệnh của bộ điều khiển logic lập trình PLC S7-1200, cùng hệ thống công thức toán học xác định góc lệch, góc giờ, góc cao độ và góc phương vị mặt trời.

Chương 3: Thiết kế cơ khí và hệ thống điều hướng

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế và chế tạo hệ thống. Tác giả chi tiết hóa việc lựa chọn linh kiện phần cứng bao gồm tấm pin AE Solar 380W, động cơ Cone-Drive tỷ số truyền 575:1, cảm biến quang điện RS485, PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, bo CB 1241 và các bộ nguồn tổ ong. Thiết kế cơ khí được thể hiện qua các bản vẽ chiếu đứng, chiếu bằng, chiếu cạnh và quy cách gia công lắp ráp khung đỡ. Hệ thống điều khiển điện được mô tả qua sơ đồ đấu nối chi tiết, bố trí thiết bị trong tủ điện kích thước 40 x 30 x 20 cm. Đồng thời, chương này mô tả chi tiết giải thuật phần mềm trên TIA Portal V17 thông qua các khối hàm xử lý xung HSC, đọc truyền thông Modbus RTU và các chế độ vận hành thực tế tại khuôn viên trường đại học.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố kết quả thực nghiệm đo đạc so sánh giữa hệ thống điều hướng hai trục và hệ thống pin đặt cố định ở góc nghiêng 15 độ. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập theo các mốc thời gian trong ngày đối với ba thông số trọng yếu: điện áp hở mạch (Voc), dòng điện ngắn mạch (Isc) và mật độ bức xạ mặt trời (W/m²). Các biểu đồ phản ánh rõ nét sự chênh lệch thông số giữa hai hệ thống, từ đó tác giả tiến hành phân tích hiệu quả thu nhận năng lượng và sơ bộ đánh giá bài toán kinh tế năng lượng.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu và mức độ đáp ứng các mục tiêu ban đầu của đồ án. Tác giả khẳng định tính khả thi của mô hình điều hướng hai trục sử dụng PLC trong việc cải thiện khả năng đón bức xạ mặt trời. Đồng thời, chương này đưa ra các đề xuất về hướng phát triển kỹ thuật nhằm hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh của hệ thống điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời hai trục theo bức xạ. Kết quả vận hành thực tế tại khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh xác nhận hệ thống cơ khí và mạch điều khiển hoạt động ổn định, chính xác:

• Cơ cấu cơ khí sử dụng động cơ Cone-Drive đạt độ chính xác góc quay nhỏ hơn 0,2° với mô-men xoắn đầu ra 400 N.m, đảm bảo chuyển động mượt mà cho tấm pin khối lượng 21 kg và kết cấu khung đỡ.
• Hệ thống điều khiển tích hợp PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C phối hợp cùng bo mạch CB 1241 đọc chính xác tín hiệu từ cảm biến bức xạ dải đo 0 - 1800 W/m² qua giao thức RS485.
• Dữ liệu đo đạc thực tế cho thấy hệ thống tracking hai trục luôn duy trì mật độ bức xạ hứng được cao hơn so với hệ thống đặt cố định ở góc nghiêng 15°, qua đó làm tăng rõ rệt giá trị dòng điện ngắn mạch (Isc) và điện áp hở mạch (Voc) trong các khung giờ nắng trong ngày.

Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đã ứng dụng thành công bộ truyền trục vít - bánh vít có khả năng tự khóa cơ học, kết hợp với các khối hàm lập trình chuyên biệt (HSC, Modbus RTU, tính toán vị trí mặt trời) trên TIA Portal V17. Giải pháp này giúp hệ thống vừa vận hành chính xác theo tọa độ thiên văn, vừa có khả năng phản hồi thích nghi theo dữ liệu bức xạ thời gian thực từ cảm biến quang điện.

Đóng góp của đồ án so với các nghiên cứu trước đây là đã tích hợp thiết bị điều khiển chuẩn công nghiệp (PLC S7-1200) thay vì các vi điều khiển mã nguồn mở thông thường, nâng cao độ bền, khả năng chống nhiễu và độ tin cậy trong môi trường làm việc ngoài trời; đồng thời xây dựng quy trình chế tạo hoàn chỉnh từ bản vẽ cơ khí ba chiều đến tủ điện module hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể, đồ án vẫn tồn tại một số hạn chế theo phạm vi nghiên cứu:

• Thử nghiệm chỉ mới triển khai trên một tấm pin quang điện đơn lẻ (AE 380M6-72), chưa đánh giá trên các chuỗi pin công suất lớn hoặc mảng pin quy mô công nghiệp.
• Mô hình điều hướng vận hành dựa trên cảm biến bức xạ và giải thuật tính toán sẵn, chưa tích hợp mô-đun định vị toàn cầu GPS để tự động cập nhật tọa độ kinh độ - vĩ độ khi thay đổi vị trí địa lý.
• Giới hạn thử nghiệm diễn ra trong điều kiện thời tiết thông thường, chưa tích hợp cảm biến đo vận tốc gió để tự động kích hoạt chế độ phòng hộ (đưa bề mặt pin về phương ngang) khi xuất hiện giông bão lớn.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả định hướng gồm:

• Tích hợp thêm cảm biến tốc độ và hướng gió vào hệ thống điều khiển PLC để bảo vệ an toàn cho kết cấu cơ khí khi thời tiết xấu.
• Nghiên cứu mở rộng khả năng điều khiển đồng bộ cho nhiều giàn pin liên kết trong các dự án trang trại điện mặt trời.
• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển kết hợp giữa dữ liệu dự báo thời tiết và phản hồi bức xạ đa điểm nhằm giảm thiểu số lần khởi động động cơ, tiết kiệm điện năng tiêu thụ nội bộ của hệ thống.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Năng lượng tái tạo, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao bao gồm:

• Quy trình tính toán lựa chọn thiết bị công nghiệp đồng bộ (tấm pin, động cơ tải trọng lớn, cảm biến bức xạ Modbus RS485, PLC Siemens S7-1200 và module CB 1241).
• Bản vẽ thiết kế ba hình chiếu của khung đỡ cơ khí hai trục và sơ đồ bố trí không gian tủ điện công nghiệp gọn gàng, module hóa.
• Phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển trên phần mềm TIA Portal V17, đặc biệt là cách sử dụng khối đếm xung tốc độ cao HSC để kiểm soát vị trí động cơ và khối truyền thông đọc dữ liệu Modbus RTU.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điều khiển hệ thống tracking sử dụng loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ truyền động động cơ chuyên dụng của hãng Cone-Drive thiết kế cho hệ thống Solar Tracker. Động cơ vận hành ở điện áp 24 VDC, dòng tiêu thụ dưới 1,2A, cung cấp mô-men xoắn đầu ra 400 N.m với tốc độ đầu ra 0,048 rpm. Cơ cấu truyền động sử dụng hộp số trục vít - bánh vít có tỷ số truyền 575:1, độ chính xác điều hướng đạt dưới 0,2° và tổng trọng lượng động cơ là 38 kg.

2. Cảm biến bức xạ mặt trời kết nối với PLC qua chuẩn giao tiếp và phần cứng nào?
Cảm biến bức xạ quang điện ES-PR-300AL-RA giao tiếp qua chuẩn tín hiệu RS485. Để kết nối với PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, hệ thống sử dụng bo mạch truyền thông trung gian CB 1241 RS485 gắn trực tiếp lên mặt trước của CPU, truyền nhận dữ liệu thông qua giao thức Modbus RTU.

3. Tấm pin mặt trời được sử dụng trong mô hình thử nghiệm có đặc tính kỹ thuật gì?
Tấm pin thử nghiệm là model AE 380M6-72 do AE Solar sản xuất, thuộc loại tế bào quang điện đơn tinh thể Mono-crystalline (72 cells). Pin có công suất cực đại 380W, điện áp hở mạch (Voc) đạt 47,59V, dòng điện ngắn mạch (Isc) đạt 9,82A, điện áp làm việc cực đại (Vmp) là 39,17V, dòng điện làm việc cực đại (Imp) là 9,57A, hiệu suất quang năng đạt 19,16%, kích thước 1956 x 992 x 40 mm và trọng lượng 21 kg.

4. Chương trình điều khiển trên TIA Portal V17 thực hiện chức năng gì để kiểm soát góc quay?
Chương trình sử dụng khối HSC (High Speed Counter) để đọc xung phản hồi xác định vị trí góc của trục cao độ M1-EL và trục phương vị M2-AZ. Kết hợp với các khối lệnh tính toán vị trí mặt trời và chuyển đổi xung bước, chương trình điều khiển động cơ bám vị trí từ 0 đến 150 độ ở hai chế độ Manual (chạy tay) và Realtime (chạy tự động theo thời gian thực).

5. Hệ thống cơ khí của giàn xoay được thiết kế theo cấu trúc tracking mấy trục?
Mô hình được thiết kế theo cơ cấu tracking hai trục (Dual-axis), bao gồm một trục điều chỉnh góc phương vị xoay ngang theo hướng Đông - Tây và một trục nâng hạ điều chỉnh góc cao độ theo phương đứng, giúp bề mặt pin luôn trực tiếp đối diện với chùm tia bức xạ mặt trời.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo bức xạ" đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình bám bức xạ hai trục ứng dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200. Kết cấu cơ khí truyền động trục vít - bánh vít tỷ số truyền 575:1 kết hợp cùng cảm biến bức xạ RS485 mang lại độ chính xác định hướng cao và khả năng vận hành ổn định ngoài trời. Kết quả đo đạc thực nghiệm khẳng định hệ thống điều hướng giúp tăng cường dòng điện ngắn mạch và điện áp phát sinh so với tấm pin đặt cố định, minh chứng cho tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả ứng dụng trong việc tối ưu hóa nguồn năng lượng tái tạo.