Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, cơ cấu nguồn điện năng chủ yếu vẫn dựa vào thủy điện và nhiệt điện. Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu hóa thạch sơ cấp đang dần cạn kiệt và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái, việc nghiên cứu và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch trở thành một yêu cầu cấp thiết. Việt Nam sở hữu tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời (NLMT) rất lớn nhờ vị trí địa lý trải dài từ vĩ độ 8°B đến 23°B, với cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) trung bình hàng năm đạt từ 4,5 đến 6 kWh/m²/năm.

Mặc dù công nghệ chuyển đổi quang điện (Photovoltaic - PV) bằng các tấm pin năng lượng mặt trời đã phát triển phổ biến, hiệu suất chuyển đổi thực tế vẫn phụ thuộc chặt chẽ vào góc tới của chùm bức xạ. Tấm pin chỉ đạt hiệu suất hấp thu tối đa khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc (90°) với bề mặt. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống điện mặt trời hiện nay được lắp đặt theo góc cố định, dẫn đến việc tổn hao bức xạ khi mặt trời thay đổi vị trí biểu kiến trong ngày và theo mùa. Để thu được cùng một sản lượng điện, hệ thống cố định đòi hỏi diện tích tấm pin lớn hơn đáng kể so với hệ thống có trang bị cơ cấu bám hướng mặt trời.

Đề tài "Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực" được sinh viên Nguyễn Thành Trung thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Kim Hùng tại phòng nghiên cứu Smart Grid (tháng 12 năm 2020) nhằm giải quyết các vấn đề trên.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Giải quyết các nhược điểm thường gặp của hệ thống điều hướng pin NLMT sử dụng cảm biến quang (dễ bị nhiễu do bụi bẩn, thời tiết mây che).
  2. Bổ sung khả năng chuyển đổi chế độ vận hành linh hoạt thích ứng với các điều kiện thời tiết thực tế.
  3. Kiểm định và đánh giá thực nghiệm độ chính xác cũng như hiệu quả gia tăng công suất của hệ thống bám hướng 1 trục so với phương pháp lắp đặt cố định truyền thống.

Phạm vi nghiên cứu được xác định bao gồm: xây dựng công thức tính toán tọa độ mặt trời dựa trên thuật toán thiên văn theo thời gian thực (kinh độ, vĩ độ, múi giờ UTC); mô phỏng kiểm chứng chuyển động trên phần mềm Cabri 3D; thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí khung giàn xoay 1 trục dẫn động bằng xi lanh điện 12V; lập trình vi điều khiển NodeMCU ESP8266 phục vụ tính toán góc quay, tích hợp cảm biến góc nghiêng MPU6050, mạch thời gian thực DS1307 và thu thập dữ liệu công suất không dây qua ESP32.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Đề tài dựa trên các nguyên lý cơ bản về chuyển động biểu kiến của thiên thể và hình học bức xạ mặt trời:

  • Hệ tọa độ thiên văn Altitude – Azimuth: Vị trí của mặt trời được xác định thông qua góc nhập xạ ($\alpha$ - Altitude) và góc phương vị ($\beta$ - Azimuth). Góc nhập xạ $\alpha$ phụ thuộc vào vĩ độ địa phương ($\Phi$), xích vĩ độ ($\delta$) và góc giờ ($\omega$).
  • Biến thiên xích vĩ độ ($\delta$): Do trục Trái Đất nghiêng $23,45^\circ$, xích vĩ độ thay đổi liên tục trong năm từ $-23,45^\circ$ (ngày Đông chí) đến $+23,45^\circ$ (ngày Hạ chí) và bằng $0^\circ$ tại các ngày Xuân phân, Thu phân. Giá trị này được xác định theo số thứ tự ngày trong năm ($d$).
  • Thuật toán tính toán vị trí Mặt Trời: Tác giả ứng dụng giải thuật tính toán thiên văn của Cơ quan Niên giám Hàng hải thuộc Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ (Nautical Almanac Office - US Naval Observatory), cho phép xác định chính xác thời điểm mặt trời mọc, mặt trời lặn, góc xích vĩ, góc giờ và độ dài ngày từ các biến đầu vào gồm ngày, tháng, năm, kinh độ, vĩ độ và độ lệch múi giờ địa phương.
  • Góc điều khiển hệ thống ($\mu$): Từ các thông số $\alpha$ và $\beta$, góc nghiêng điều khiển tấm pin quanh trục quay được thiết lập theo hệ thức lượng giác: $$\mu = \arctan(-\cot\alpha \cdot \cos\beta)$$ (với các điều kiện hiệu chỉnh góc phương vị $\beta \le 180^\circ$ hoặc $\beta > 180^\circ$).

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: So sánh đặc tính kỹ thuật, hiệu suất kinh tế giữa các hệ thống điều hướng 1 trục (HSAT, HTSAT, VSAT, TSAT, PSAT) và hệ thống 2 trục (TTDAT, AADAT).
  • Phương pháp mô phỏng hình học: Sử dụng phần mềm Cabri 3D để mô phỏng sự định hướng của tấm pin khi mặt trời ở phía Đông và phía Tây, đối chiếu trực tiếp với kết quả tính toán giải tích. Dữ liệu thiên văn được đối sánh với trang web tính toán quỹ đạo mặt trời SunCalc.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Chế tạo mô hình vật lý hoàn chỉnh, tích hợp hệ thống nhúng điều khiển vòng kín và truyền thông dữ liệu công suất theo thời gian thực.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc module hóa gồm các khối phần cứng cơ khí, mạch động lực, khối xử lý trung tâm và phân hệ giám sát dữ liệu không dây.

Phân hệ / Thiết bị Thông số kỹ thuật lựa chọn Chức năng trong hệ thống
Tấm pin PV Jinko Solar Cheetah 315W Monocrystalline Chuyển đổi quang năng thành điện năng; hiệu suất 15% - 18%, tuổi thọ ~30 năm
Ắc quy lưu trữ Ắc quy chì-axit 12V - 100Ah (Dòng nạp cực đại < 2,7A; $V_{nap} = 13,5 - 13,8\text{V}$; nặng 32kg) Lưu trữ năng lượng và cấp nguồn hoạt động cho mạch điều khiển, cơ cấu chấp hành
Vi điều khiển chính Kit NodeMCU ESP8266 (32-bit Tensilica, Flash 4MB, Wi-Fi 802.11 b/g/n) Đọc dữ liệu thời gian, tính toán góc xoay mặt trời lý thuyết, phát xung điều khiển cầu H
Cơ cấu chấp hành Xi lanh điện 12VDC (Công suất 25W, dòng định mức 2,08A, tải trọng 300N, hành trình 300mm, tốc độ 30mm/s) Đẩy/kéo khung xoay để thay đổi góc nghiêng tấm pin quanh 1 trục
Mạch điều khiển động lực Mạch cầu H RF 2 kênh 5A (Dòng tải 5A/kênh, đỉnh 9A, dải áp 3V - 14VDC) Đảo chiều quay và cấp nguồn điều khiển xi lanh điện theo lệnh PWM từ ESP8266
Cảm biến góc nghiêng Module MPU6050 (Gia tốc $\pm2g \dots \pm16g$, Gyro $\pm250 \dots \pm2000\text{ dps}$, chuẩn I2C) Đo góc nghiêng thực tế của dàn pin ($40^\circ \div 140^\circ$) để vi điều khiển tinh chỉnh vị trí
Mạch thời gian thực Module RTC DS1307 + EEPROM AT24C32 (Giao tiếp I2C, pin backup 10 năm) Cung cấp thông tin ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây chính xác cho thuật toán
Mạch MPPT & Thu phát dữ liệu Bộ điều khiển MPPT tích hợp ESP32 Client; ESP32 Server gắn máy tính Dò điểm công suất cực đại; gửi dữ liệu công suất phát qua Wi-Fi 2.4GHz mỗi 2 giây lên PC

Nguyên lý vận hành và lưu trình điều khiển

Vi điều khiển NodeMCU ESP8266 đọc dữ liệu thời gian thực từ DS1307 để thiết lập kịch bản bám hướng trong ngày. Khi đến chu kỳ điều khiển, bộ xử lý tính góc nghiêng mục tiêu $\mu$, xuất tín hiệu kích hoạt mạch cầu H để điều khiển xi lanh điện thay đổi vị trí cơ cấu khung xoay. Cảm biến MPU6050 liên tục phản hồi góc nghiêng thực tế để vi điều khiển đóng cắt động cơ chính xác, tránh hiện tượng vượt ngưỡng hành trình hoặc kẹt cơ khí. Đồng thời, mạch MPPT phối hợp cùng kit ESP32 Client truyền gói tin công suất về ESP32 Server qua giao thức mạng không dây, sau đó xuất ra màn hình máy tính thông qua giao tiếp nối tiếp UART (cổng COM) để giám sát và lưu trữ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương này phân tích tổng quan tiềm năng bức xạ năng lượng mặt trời tại Việt Nam (4,5 – 6 kWh/m²/năm) và sự cần thiết của việc nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện. Tác giả tổng hợp bốn nhóm phương pháp tối ưu hóa hiệu suất PV: sử dụng bộ bám điểm công suất cực đại (MPPT), làm mát giảm nhiệt độ tấm pin, vệ sinh định kỳ bề mặt và sử dụng hệ thống điều hướng (tracker). Từ việc so sánh diện tích chiếm dụng và hiệu quả hấp thu bức xạ, đề tài xác định mục tiêu thiết kế hệ thống bám hướng 1 trục theo thời gian thực kết hợp giám sát không dây.

Chương 2: Lựa chọn phương án điều khiển và cơ sở lý thuyết của phương án điều khiển

Chương 2 thực hiện phân loại chi tiết các cấu hình bám hướng 1 trục (HSAT, HTSAT, VSAT, TSAT, PSAT) và 2 trục (TTDAT, AADAT). Trên cơ sở so sánh đa tiêu chí, tác giả lựa chọn cấu hình 1 trục bám theo tọa độ thiên văn thực tế:

  • Hệ thống 1 trục có độ tin cậy cao, kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí vận hành thấp, thời gian hoàn vốn nhanh, nâng cao sản lượng điện từ 15% - 16% hàng năm và hiệu quả tức thời có thể cao hơn phương pháp cố định tới 32,17%.
  • Hệ thống bám hướng theo thời gian thực khắc phục triệt để nhược điểm mất phương hướng của cảm biến quang trong điều kiện trời nhiều mây, mưa hoặc bề mặt cảm biến bám bụi.

Tác giả trình bày hệ thống công thức toán học xác định các đại lượng thiên văn ($\delta, \omega, \alpha, \beta, \mu$) theo giải thuật của Nautical Almanac Office. Kết quả giải tích được mô phỏng đối chứng trên Cabri 3D:

  • Khi mặt trời ở phía Đông ($\alpha = 35^\circ, \beta = 122^\circ$), góc điều khiển tính toán và mô phỏng đạt $\mu = 39,51^\circ$.
  • Khi mặt trời ở phía Tây ($\alpha = 45^\circ, \beta = 221^\circ$), góc điều khiển đạt $\mu = 123,27^\circ$, hoàn toàn trùng khớp giữa mô hình tính toán và không gian 3D.

Chương 3: Giới thiệu các thiết bị trong phương án thiết kế

Nội dung chương 3 đi sâu vào nguyên lý cấu tạo, đặc tính vật lý và thông số kỹ thuật của từng thành phần phần cứng:

  • Cấu tạo pin mặt trời bán dẫn Silic (hiện tượng tạo cặp electron-lỗ trống tại tiếp giáp P-N, khe vùng năng lượng tối ưu 1,4eV, thông số pin đơn tinh thể Jinko Cheetah 315W).
  • Đặc tính nạp/phóng điện của ắc quy axit-chì 12V-100Ah, phân tích các phương pháp nạp dòng không đổi, áp không đổi và nạp hỗn hợp (ổn dòng giai đoạn đầu $I_n = 0,1C_{10}$ trong 8 giờ, sau đó chuyển sang ổn áp).
  • Đặc tính kỹ thuật của kit NodeMCU ESP8266, mạch cầu H 5A, cảm biến con quay hồi chuyển/gia tốc MPU6050, IC thời gian thực DS1307 và giải pháp cải tiến mạch MPPT tích hợp ESP32 thu phát tín hiệu không dây.

Chương 4: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 4 trình bày quy trình tính toán lựa chọn thiết bị và sơ đồ phối ghép hoàn chỉnh:

  • Tính chọn ắc quy: Với tấm pin 315W, điện áp danh định $V_{in} = 12\text{V}$, dòng nạp tính toán $I_{in} = \frac{315}{12} = 26,25\text{A}$. Động cơ xi lanh điện 12V-25W có dòng định mức $I_{xl} = \frac{25}{12} \approx 2,08\text{A}$, dòng khởi động $I_{xlkđ} \approx (1,5 \div 2,5)I_{xl}$. Lựa chọn bình ắc quy dung lượng 12V-100Ah đảm bảo khả năng tích trữ và cấp nguồn liên tục.
  • Tính chọn mạch công suất và cảm biến: Lựa chọn mạch cầu H 5A (dòng đỉnh 9A) đáp ứng tốt dòng khởi động của xi lanh; cảm biến MPU6050 kiểm soát dải góc quay $40^\circ \div 140^\circ$; module RTC DS1307 duy trì thời gian thực độc lập nhờ pin backup.
  • Lập trình hệ thống nhúng: Xây dựng lưu đồ thuật toán và mã nguồn cho NodeMCU ESP8266 (điều khiển vị trí vòng kín), ESP32 Client (thu thập dữ liệu từ MPPT và truyền qua Wi-Fi) và ESP32 Server (nhận dữ liệu, đẩy qua cổng COM UART lên giao diện máy tính).

Chương 5: Kết quả của đề tài

Chương 5 giới thiệu mô hình phần cứng hoàn chỉnh sau khi thi công và các kết quả thử nghiệm thực tế:

  • Mô hình cơ khí giàn quay 1 trục và các bo mạch điều khiển, mạch truyền thông công suất vận hành ổn định.
  • Dữ liệu xuất cổng Serial ngày 04/12/2020 chứng minh chương trình điều khiển góc nghiêng phản hồi chính xác theo thời gian thực và khớp với dữ liệu tính toán từ công cụ SunCalc.
  • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm ngày 20/12/2020 trong điều kiện thời tiết nhiều mây (khung giờ từ 13:30 đến 14:30) cho thấy sản lượng công suất phát của hệ thống bám hướng 1 trục luôn duy trì ở mức cao hơn so với hệ thống pin đặt cố định truyền thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và kỹ thuật

  • Chế tạo thành công mô hình hệ thống điều hướng pin mặt trời 1 trục hoàn chỉnh sử dụng tấm pin Jinko Cheetah 315W, dẫn động êm bằng xi lanh điện 12V-25W (hành trình 300mm, tải trọng 300N) và điều khiển bởi NodeMCU ESP8266.
  • Ứng dụng thành công thuật toán thiên văn của Nautical Almanac Office trên vi điều khiển nhúng để tính toán trực tiếp tọa độ mặt trời từ thời gian thực (DS1307), kết hợp thuật toán hiệu chỉnh vị trí góc nghiêng vòng kín thông qua cảm biến gia tốc MPU6050 trong phạm vi $40^\circ \div 140^\circ$.
  • Xây dựng hệ thống giám sát công suất không dây cự ly gần sử dụng cặp vi điều khiển ESP32 (Client - Server) phát mạng Wi-Fi riêng biệt, truyền gói tin định kỳ 2 giây/lần từ mạch MPPT về máy tính qua giao tiếp UART.
  • Kết quả đo đạc ngày 20/12/2020 xác nhận hệ thống điều hướng 1 trục thu được công suất phát tức thời và năng lượng tích lũy cao hơn rõ rệt so với tấm pin lắp cố định ngay cả trong điều kiện bức xạ tán xạ nhiều mây.

Đóng góp về mặt giải pháp

  • Khắc phục triệt để các hạn chế về độ ổn định của hệ thống bám mặt trời bằng cảm biến quang trở (LDR) truyền thống, loại bỏ hiện tượng cơ cấu chấp hành quay loạn khi trời âm u hoặc cảm biến bị bám bụi bẩn.
  • Tích hợp giải pháp đo đạc, giám sát công suất phát trực tiếp từ mạch MPPT lên máy tính thông qua mạng Wi-Fi nội bộ, giúp theo dõi và đánh giá hiệu năng hệ thống một cách trực quan, khoa học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Hệ thống mới chỉ thực hiện điều hướng trên 1 trục (bám theo phương Đông - Tây), chưa tối ưu hóa triệt để góc nhập xạ theo mùa như các hệ thống 2 trục (AADAT/TTDAT). Phạm vi góc quay cơ khí bị giới hạn bởi hành trình xi lanh ($300\text{mm}$) nhằm bảo vệ cơ cấu không rơi vào điểm chết lực. Dữ liệu thực nghiệm trong văn bản mới được ghi nhận tập trung vào tháng 12/2020 trong điều kiện thời tiết mùa đông nhiều mây tại khu vực Đà Nẵng.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm mô hình 2 trục kết hợp thuật toán tối ưu năng lượng tự tiêu thụ của động cơ; tích hợp thuật toán phân tích dự báo thời tiết để chủ động đưa tấm pin về góc phẳng bảo vệ khi có gió bão lớn; nâng cấp giao diện giám sát lên nền tảng đám mây (Cloud IoT Dashboard).

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: Kỹ thuật Điện, Hệ thống Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Kỹ thuật Máy tính / Hệ thống nhúng.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

  • Khung thuật toán thiên văn chi tiết tính toán vị trí mặt trời theo thời gian thực có thể chuyển đổi trực tiếp sang mã C/C++ cho các dòng vi điều khiển khác nhau.
  • Phương pháp tính chọn thiết bị động lực (mạch cầu H, xi lanh điện, ắc quy lưu trữ) cho hệ thống cơ điện tử ngoài trời.
  • Giải pháp truyền thông công suất không dây giữa bộ điều khiển MPPT và trạm giám sát thông qua mạng ESP-NOW / Wi-Fi Access Point của ESP32.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp bám mặt trời theo thời gian thực thay vì sử dụng cảm biến quang?

Phương pháp bám mặt trời bằng cảm biến quang (quang trở LDR) có chi phí thấp nhưng độ tin cậy không cao, dễ bị sai lệch khi thời tiết nhiều mây, ánh sáng khuếch tán không đồng đều hoặc bề mặt cảm biến bị che khuất bởi bụi bẩn, lá cây. Phương pháp tính toán theo tọa độ địa lý và thời gian thực xác định chính xác vị trí biểu kiến của mặt trời theo các quy luật thiên văn học độc lập với điều kiện thời tiết, giúp hệ thống vận hành ổn định và có độ tin cậy cao.

2. Tấm pin và bộ lưu trữ được tính chọn trong hệ thống có thông số như thế nào?

Tác giả sử dụng 01 tấm pin quang điện đơn tinh thể Jinko Solar Cheetah 315W (hiệu suất 15% - 18%, tuổi thọ khoảng 30 năm). Bộ lưu trữ là bình ắc quy chì-axit 12V - 100Ah, dòng nạp lớn nhất $< 2,7\text{A}$, điện áp nạp $13,5 - 13,8\text{V}$, khối lượng 32kg và tuổi thọ trên 10 năm, đáp ứng đủ dòng nạp danh định $26,25\text{A}$ từ tấm pin và cấp nguồn cho tải xi lanh điện 25W.

3. Thuật toán điều khiển góc nghiêng của hệ thống được xây dựng và kiểm chứng như thế nào?

Góc nghiêng điều khiển $\mu$ được tính từ góc nhập xạ $\alpha$ và góc phương vị $\beta$ theo công thức $\mu = \arctan(-\cot\alpha \cdot \cos\beta)$, dựa trên thuật toán thiên văn của Nautical Almanac Office (US Naval Observatory). Thuật toán được lập trình trên NodeMCU ESP8266 và được kiểm chứng tính đúng đắn trên phần mềm mô phỏng không gian Cabri 3D (cho kết quả $\mu = 39,51^\circ$ khi $\alpha=35^\circ, \beta=122^\circ$ và $\mu = 123,27^\circ$ khi $\alpha=45^\circ, \beta=221^\circ$, hoàn toàn trùng khớp).

4. Dữ liệu công suất từ mạch MPPT được truyền về máy tính bằng cách nào?

Tác giả sử dụng cặp vi điều khiển ESP32: một module ESP32 Client tích hợp tại mạch MPPT có nhiệm vụ đọc công suất phát của tấm pin và gửi qua sóng Wi-Fi 2.4GHz (chu kỳ 2 giây/lần) đến module ESP32 Server đóng vai trò Access Point đặt tại máy tính. ESP32 Server sau khi nhận dữ liệu sẽ chuyển đổi qua giao tiếp UART cổng COM để hiển thị trực quan trên màn hình desktop.

5. Kết quả thực nghiệm so sánh giữa hệ thống 1 trục và hệ thống cố định cho thấy điều gì?

Dữ liệu đo đạc thực tế ngày 20/12/2020 trong khung giờ từ 13:30 đến 14:30 (điều kiện nhiều mây) cho thấy hệ thống điều hướng 1 trục theo thời gian thực thu nhận được mức công suất phát và tỷ lệ năng lượng bổ sung vượt trội so với tấm pin lắp đặt cố định truyền thống, chứng minh tính hiệu quả của cơ chế bám hướng tự động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thành Trung đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo thực nghiệm hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời 1 trục theo thời gian thực. Bằng việc kết hợp thuật toán thiên văn chính xác trên vi điều khiển NodeMCU ESP8266, phản hồi vòng kín qua cảm biến MPU6050 và giám sát dữ liệu không dây qua ESP32, hệ thống đã vận hành ổn định và đạt hiệu suất cao. Các kết quả thực nghiệm tại Đà Nẵng đã khẳng định tính khả thi và ưu thế vượt trội của phương pháp bám hướng 1 trục so với phương thức lắp đặt cố định truyền thống trong việc tối ưu hóa khai thác nguồn năng lượng mặt trời.