Nghiên Cứu Hệ Thống Giám Sát Nhiệt Độ Cho Thiết Bị Điện Trong Hệ Thống Điện Mặt Trời Có Lưu Trữ

Hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện trong hệ thống điện mặt trời có lưu trữ đóng vai trò quan trọng trong… 86 trang · Trường Đại Học Thủy Lợi · 2023.

• Tác giả: Nguyễn Đình Chiến
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Quang Vĩ
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Giám Sát Nhiệt Độ Cho Các Thiết Bị Điện Của Hệ Thống Điện Mặt Trời Có Lưu Trữ
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠNG TRUYỀN THÔNG CHO NLMT CÓ LƯU TRỮ
• 2.1. Tổng quan về giám sát nhiệt độ thiết bị điện hệ thống điện mặt trời có lưu trữ
• 2.2. Giới thiệu về hệ thống điện mặt trời có lưu trữ
• 2.3. Giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện
• 2.4. Công nghệ sóng không dây
• 2.4.1. Công nghệ Wifi
• 2.4.2. Công nghệ Bluetooth
• 2.5. Cơ sở lý thuyết về HTML
• 2.5.1. Ưu và nhược điểm của HTML
• 2.5.2. Phần mềm lập trình HTML
• 2.6. Các chuẩn giao tiếp được sử dụng
• 2.6.1. Chuẩn giao tiếp UART
• 2.6.2. Chuẩn giao tiếp I2C
• 2.6.3. Chuẩn giao tiếp SPI
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ PHÁT VÀ THU DỮ LIỆU
• 3.1. Tính toán thiết kế bộ Phát dữ liệu
• 3.1.1. Khối xử lý trung tâm
• 3.1.2. Khối cảm biến
• 3.1.3. Khối truyền thông
• 3.1.4. Khối chấp hành
• 3.1.5. Nguyên lý hoạt động bộ phát
• 3.2. Tính toán thiết kế bộ Thu dữ liệu
• 3.2.1. Khối xử lý trung tâm
• 3.2.2. Khối truyền thông
• 3.2.3. Khối lưu dữ liệu
• 3.2.4. Khối chấp hành
• 3.2.5. Nguyên lý hoạt động bộ Thu dữ liệu
• 3.3. Thi công mô hình thiết bị
• 3.3.1. Thi công bộ Phát dữ liệu
• 3.3.2. Thi công bộ Thu dữ liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Kết quả đạt được
• 4.2. Kết quả mô hình
• 4.2.1. Kết quả mô hình bộ Phát dữ liệu
• 4.2.2. Kết quả mô hình bộ Thu dữ liệu
• 4.3. Kết quả thực nghiệm
• 4.3.1. Kết quả khi hệ thống chưa được truyền thông
• 4.3.2. Kết quả khi hệ thống được truyền thông
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ
• LỜI NÓI ĐẦU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện

Hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện trong hệ thống điện mặt trời có lưu trữ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo đang được ưa chuộng, nhưng việc giám sát nhiệt độ các thiết bị điện là cần thiết để ngăn ngừa sự cố và hư hỏng. Hệ thống này giúp theo dõi nhiệt độ liên tục, từ đó đưa ra cảnh báo kịp thời khi có dấu hiệu bất thường.

1.1. Giới thiệu về hệ thống điện mặt trời có lưu trữ

Hệ thống điện mặt trời có lưu trữ bao gồm các tấm pin quang điện, bộ điều khiển sạc và thiết bị lưu trữ năng lượng. Việc tích hợp hệ thống lưu trữ giúp duy trì nguồn điện ổn định và giảm thiểu tình trạng quá tải trong lưới điện.

1.2. Tầm quan trọng của giám sát nhiệt độ thiết bị điện

Giám sát nhiệt độ thiết bị điện giúp phát hiện sớm các vấn đề như quá nhiệt, từ đó ngăn ngừa hư hỏng và đảm bảo an toàn cho hệ thống. Nhiệt độ cao có thể dẫn đến cháy nổ, do đó việc theo dõi liên tục là rất cần thiết.

II. Vấn đề và thách thức trong giám sát nhiệt độ

Mặc dù hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức. Việc lắp đặt và bảo trì hệ thống giám sát có thể tốn kém và phức tạp. Ngoài ra, việc thu thập và phân tích dữ liệu cũng cần được thực hiện một cách hiệu quả để đảm bảo tính chính xác.

2.1. Các vấn đề thường gặp trong giám sát nhiệt độ

Các vấn đề như cảm biến hỏng, kết nối không ổn định có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu. Việc không theo dõi thường xuyên có thể dẫn đến những rủi ro không đáng có.

2.2. Thách thức trong việc duy trì hiệu suất hệ thống

Để duy trì hiệu suất của hệ thống giám sát, cần có các biện pháp bảo trì định kỳ và cập nhật công nghệ mới. Việc này đòi hỏi nguồn lực và chi phí đầu tư không nhỏ.

III. Phương pháp giám sát nhiệt độ hiệu quả

Để giám sát nhiệt độ thiết bị điện một cách hiệu quả, có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Các công nghệ hiện đại như cảm biến hồng ngoại và cảm biến sóng âm bề mặt đang được sử dụng rộng rãi. Những công nghệ này giúp theo dõi nhiệt độ một cách chính xác và liên tục.

3.1. Sử dụng cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại cho phép đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc trực tiếp với thiết bị. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường an toàn trong quá trình giám sát.

3.2. Công nghệ cảm biến sóng âm bề mặt

Cảm biến sóng âm bề mặt là một giải pháp tiên tiến cho phép giám sát nhiệt độ tại các điểm tiếp xúc quan trọng. Công nghệ này giúp phát hiện sớm các vấn đề liên quan đến nhiệt độ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án điện mặt trời có lưu trữ. Việc theo dõi nhiệt độ không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.

4.1. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu cho thấy việc giám sát nhiệt độ giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và tăng cường hiệu suất hoạt động. Các số liệu thu thập được đã chứng minh tính hiệu quả của hệ thống.

4.2. Các ứng dụng trong thực tế

Hệ thống giám sát đã được triển khai tại nhiều trang trại điện mặt trời, giúp theo dõi tình trạng thiết bị và đưa ra cảnh báo kịp thời khi có dấu hiệu bất thường.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện trong hệ thống điện mặt trời có lưu trữ là một giải pháp cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu suất. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với sự hỗ trợ của các công nghệ mới.

5.1. Tương lai của công nghệ giám sát

Với sự phát triển của công nghệ IoT và AI, hệ thống giám sát sẽ ngày càng thông minh hơn, giúp tối ưu hóa quy trình giám sát và bảo trì.

5.2. Đề xuất cải tiến cho hệ thống

Cần nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp giám sát mới, tích hợp nhiều công nghệ khác nhau để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của hệ thống.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế chuyển dịch năng lượng toàn cầu hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không (Net Zero) vào năm 2050, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng được kỳ vọng phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, nguồn năng lượng này có đặc tính vận hành không liên tục do phụ thuộc vào chu kỳ ngày đêm và các yếu tố thời tiết che khuất. Để đảm bảo tính ổn định của nguồn điện cấp lên lưới, việc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS/ESS) cùng các bộ chuyển đổi DC-DC và biến tần (Inverter) trở thành yêu cầu thiết yếu. Tại Việt Nam, từ năm 2021 khi chính sách giá mua điện mặt trời áp mái tạm dừng, xu hướng lắp đặt bổ sung hệ thống lưu trữ pin tại các phụ tải tăng cao.

Thực tế vận hành tại các trạm và trang trại điện mặt trời có lưu trữ cho thấy các cụm pin lưu trữ và mạng lưới truyền tải luôn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn do hiện tượng tăng nhiệt. Lỗi cell pin, lỗi mạch sạc, chập mạch hoặc làm mát kém có thể dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt, gây biến dạng cơ học, rò rỉ hóa chất hoặc cháy nổ. Bên cạnh đó, các hệ thống giám sát hiện hữu thường tập trung vào bức xạ, chất lượng điện năng, biến áp, trạng thái biến tần mà bỏ qua việc giám sát nhiệt độ trực tiếp tại các thiết bị truyền dẫn then chốt như thanh cái (busbar) của thiết bị đóng cắt, khớp nối dây dẫn cao áp sau biến tần và trạm biến áp. Dưới tác động của dòng tải lớn và tình trạng tiếp xúc không hoàn hảo, điện trở tiếp xúc tại các điểm nối sẽ tăng cao, sinh nhiệt lớn và dễ dẫn đến sự cố nghiêm trọng.

Xuất phát từ thực trạng trên, tác giả Nguyễn Đình Chiến đã thực hiện đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa với đề tài: "Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện của hệ thống điện mặt trời có lưu trữ".

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài:

1. Đo và giám sát nhiệt độ tại 03 điểm tương ứng với 03 thanh cái của đầu vào và đầu ra thiết bị đóng cắt.
2. Truyền và nhận dữ liệu nhiệt độ không dây giữa bộ phát và bộ thu thông qua giao thức Bluetooth.
3. Kết nối bộ thu dữ liệu với mạng Wi-Fi cục bộ của trạm/trang trại điện mặt trời có lưu trữ.
4. Hiển thị thông số nhiệt độ của 03 điểm quan trắc lên màn hình LCD 1602 tích hợp trên bộ thu.
5. Hiển thị thông số nhiệt độ thời gian thực của 03 điểm lên giao diện Web Server do vi điều khiển ESP8266 khởi tạo.
6. Ghi lưu trữ các giá trị nhiệt độ thu thập được vào thẻ nhớ định kỳ để phục vụ trích xuất trên máy tính hoặc giao diện Web.
7. Cảnh báo tình trạng quá nhiệt tức thời bằng chỉ báo màu sắc trên giao diện Web và còi báo động gắn tại bộ thu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị điện trong hệ thống điện mặt trời có lưu trữ, trọng tâm là các thanh cái dẫn điện tại đầu vào, đầu ra của thiết bị đóng cắt; công nghệ đo nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc; công nghệ mạng truyền thông không dây (Wi-Fi, Bluetooth BLE); hệ thống nhúng thu - phát dữ liệu.
• Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng mô hình thực nghiệm khép kín gồm bộ phát dữ liệu quét cơ học và bộ thu hiển thị/cảnh báo, kết nối trong mạng không dây cục bộ của trạm điện mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật truyền thông công nghiệp và công nghệ mạng không dây:

• Nguyên lý bức xạ nhiệt: Ứng dụng định luật Stefan-Boltzmann về bức xạ hồng ngoại của vật thể có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối (0 K) làm nền tảng cho cảm biến nhiệt không tiếp xúc MLX90614ESF-DCI.
• Mạng truyền thông không dây: Lý thuyết chuẩn Wi-Fi (IEEE 802.11 các thế hệ b/a/g/n/ac/ax trên dải tần 2.4 GHz và 5 GHz, cơ chế MIMO và OFDMA) và chuẩn Bluetooth (phiên bản 1.0 đến 5.2, tập trung vào chế độ Master - Slave, cấu trúc mạng Piconet và giải pháp tiết kiệm năng lượng BLE 4.0).
• Công nghệ Web Server nhúng: Lý thuyết ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTML, kết hợp CSS và JavaScript để cấu trúc trang quản trị tĩnh, phân chia phần tử giao diện hiển thị dữ liệu đo đạc.
• Các chuẩn giao tiếp vi điều khiển: Chuẩn UART không đồng bộ (giao tiếp chân TX-RX, chế độ Full duplex); chuẩn I2C đồng bộ hai dây (SDA, SCL, định chỉ 7-bit, mạch cực máng hở có trở kéo lên 1 kΩ - 4.7 kΩ, chế độ Standard 100 kbps); chuẩn SPI nối tiếp đồng bộ bốn dây (MOSI, MISO, SCLK, SS/CS) truyền chuỗi dữ liệu liên tục tốc độ cao.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành về điện mặt trời có lưu trữ, trạm biến áp, thiết bị đóng cắt và các nguy cơ nhiệt.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Lựa chọn linh kiện bán dẫn, vi điều khiển phù hợp với yêu cầu bài toán đo lường 03 vị trí thanh cái; thiết kế nguyên lý và mạch in hai lớp (2D/3D) bằng phần mềm chuyên dụng Altium Designer.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mạch phần cứng thực tế, lắp ráp cơ cấu cơ khí, nạp code điều khiển cho vi điều khiển Arduino Nano và ESP8266, thiết lập thực nghiệm đo kiểm không dây và kiểm tra khả năng cảnh báo quá ngưỡng nhiệt.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm hai khối thiết bị độc lập: Bộ phát dữ liệu (Transmitter) đặt tại tủ điện/thanh cái và Bộ thu dữ liệu (Receiver) đặt tại trung tâm giám sát.

Thông số / Thành phần	Bộ Phát dữ liệu (Transmitter)	Bộ Thu dữ liệu (Receiver)
Khối xử lý trung tâm	Bo mạch Arduino Nano V3 (ATmega328P, TQFP-32, xung nhịp 16 MHz, 14 chân I/O số, 8 kênh ADC 10-bit).	Bo mạch vi điều khiển ESP8266 (tích hợp Wi-Fi thu phát sóng vô tuyến).
Khối cảm biến / Ngoại vi	Cảm biến hồng ngoại MLX90614-DCI (sai số max 0.3°C, đo nhiệt độ đối tượng -70°C đến 382.2°C, I2C/SMBus); cảm biến Hall A3144 xác định điểm gốc cơ khí.	Màn hình LCD 1602 kèm module I2C hiển thị thông số; còi Buzzer chủ động 5V cảnh báo âm thanh.
Cơ cấu chấp hành	Động cơ bước 28BYJ-48 qua mạch điều khiển đệm dòng ULN2003; đầu phát Laser định vị hướng đo.	Không có cơ cấu cơ khí.
Khối truyền thông	Module Bluetooth BLE HM-10 (giao tiếp UART với vi điều khiển bằng tập lệnh AT).	Module Bluetooth nhận dữ liệu; Wi-Fi tích hợp trên ESP8266 tạo Web Server nội bộ.
Lưu trữ dữ liệu	Không tích hợp khối lưu trữ rời.	Module thẻ nhớ SD Card (chuẩn giao tiếp SPI) kết hợp module thời gian thực RTC DS1307 (chuẩn I2C).
Khối nguồn	Pin sạc Li-ion 18650, module quản lý sạc TP4056, module biến đổi tăng áp MT3608 cấp nguồn 5V ổn định.	Nguồn DC cấp qua cổng kết nối của bo mạch.

Nguyên lý vận hành của hệ thống:

1. Tại Bộ phát: Khi khởi động, động cơ bước 28BYJ-48 quay cụm quét cho đến khi nam châm kích hoạt cảm biến Hall A3144 để xác định vị trí gốc ban đầu (Home). Sau đó, Arduino Nano điều khiển động cơ quay lần lượt qua 03 góc định trước tương ứng với 03 thanh cái cần đo. Tại mỗi điểm dừng, đầu phát Laser chiếu sáng tâm điểm đo, cảm biến MLX90614-DCI thu nhận bức xạ hồng ngoại, chuyển đổi tín hiệu qua bộ ADC 17-bit tích hợp bên trong và truyền dữ liệu nhiệt độ về Arduino Nano qua chuẩn I2C. Vi điều khiển đóng gói dữ liệu và gửi qua module Bluetooth HM-10 thông qua giao tiếp UART.
2. Tại Bộ thu: Module Bluetooth tiếp nhận các gói dữ liệu từ bộ phát và chuyển cho ESP8266. ESP8266 xử lý tách chuỗi, đồng bộ nhãn thời gian từ IC RTC DS1307, ghi dữ liệu vào thẻ nhớ SD qua chuẩn SPI, đồng thời xuất tín hiệu hiển thị lên màn hình LCD 1602 qua chuẩn I2C. Đồng thời, ESP8266 hoạt động như một Access Point/Web Server phát mạng nội bộ, hiển thị dữ liệu lên trang Web HTML. Khi nhiệt độ tại bất kỳ điểm nào vượt ngưỡng an toàn đã cài đặt, vi điều khiển kích hoạt còi Buzzer 5V kêu liên tục và đổi màu cảnh báo trực quan trên giao diện Web.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày bối cảnh chuyển đổi năng lượng sang nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời hướng tới mục tiêu phát thải Net Zero 2050. Tác giả phân tích tính bất định của thời tiết ảnh hưởng đến công suất phát, từ đó khẳng định vai trò sống còn của hệ thống pin lưu trữ năng lượng (ESS/BESS). Chương này tổng hợp các rủi ro vận hành trong hệ thống lưu trữ như chập điện, lỗi sạc, quá nhiệt cell pin dẫn đến thoát nhiệt và cháy nổ. Điểm cốt lõi được tác giả chỉ ra là các hệ thống giám sát hiện nay thường bỏ sót việc theo dõi nhiệt độ trực tiếp của các thanh cái tại thiết bị đóng cắt và đường cáp truyền tải. Chương 1 đặt ra mục tiêu thiết kế bộ thiết bị thu - phát không dây chuyên dụng nhằm giám sát nhiệt độ 03 thanh cái, kết hợp hiển thị màn hình LCD, tạo trang Web Server và phát cảnh báo tại chỗ.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠNG TRUYỀN THÔNG CHO NLMT CÓ LƯU TRỮ

Chương 2 làm rõ cấu trúc tổng quát của hệ thống điện mặt trời có lưu trữ (mảng pin PV, biến đổi DC-DC, sạc, khối pin lưu trữ, bộ biến tần Inverter cấp tải AC). Tác giả so sánh các phương pháp giám sát nhiệt độ truyền thống (súng đo cầm tay, camera nhiệt, cảm biến sóng âm bề mặt SAW, cảm biến tiếp xúc trực tiếp IR/EM) và chỉ ra hạn chế về chi phí, tính liên tục cũng như khó khăn khi bảo trì thiết bị trên lưới điện cao áp. Tiếp đó, tác giả phân tích chi tiết cơ sở lý thuyết của các công nghệ không dây: chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11 (từ 802.11b đến 802.11ax), công nghệ Bluetooth từ bản 1.0 đến 5.2 (tập trung vào cấu trúc mạng Piconet, mô hình Master - Slave và BLE). Cuối chương, tác giả trình bày nền tảng ngôn ngữ HTML, phần mềm hỗ trợ lập trình web, cùng nguyên lý vật lý và khuôn dạng khung truyền của ba chuẩn giao tiếp phần cứng cơ bản: UART (chế độ Full/Half duplex, bit Start/Stop, Parity), I2C (đường SDA, SCL, cấu trúc 7-bit địa chỉ, bit ACK/NACK, mức logic cực máng hở) và SPI (4 đường tín hiệu, xung nhịp đồng bộ SCLK, chế độ Master truyền luồng liên tục tới nhiều Slave).

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ PHÁT VÀ THU DỮ LIỆU

Chương 3 là phần tính toán, lựa chọn linh kiện và thiết kế chi tiết phần cứng của hai bộ thiết bị. Đối với bộ phát dữ liệu, tác giả xây dựng sơ đồ khối gồm 5 khối chức năng; chọn Arduino Nano V3 làm vi điều khiển xử lý trung tâm (phân tích chi tiết chức năng 30 chân vật lý và cụm chân ICSP); chọn cảm biến MLX90614ESF-DCI y tế (Medical Accuracy, sai số 0.3°C, trường đo -70°C đến 382.2°C, địa chỉ I2C mặc định 0x5A) kết hợp cảm biến từ Hall A3144; chọn động cơ bước 28BYJ-48 kết hợp IC ULN2003 để quét cơ học; chọn module Bluetooth HM-10 kèm bảng tập lệnh AT; thiết kế khối nguồn sử dụng cell pin Li-ion 18650 qua module sạc TP4056 và tăng áp MT3608. Đối với bộ thu dữ liệu, tác giả lựa chọn ESP8266, module thẻ nhớ SD Card, module RTC DS1307, màn hình LCD 1602 kèm mạch I2C và còi Buzzer 5V. Chương này trình bày chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển của hai bộ vi xử lý, sơ đồ nguyên lý mạch điện và bản vẽ thiết kế mạch in 2D, 3D thực hiện trên phần mềm Altium Designer, tiến tới gia công mạch in thành phẩm.

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chương 4 ghi nhận các kết quả lắp ráp, tích hợp và chạy thử nghiệm thực tế của mô hình hệ thống. Tác giả trình bày hình ảnh chế tạo hoàn thiện của vỏ hộp, bố trí bo mạch bên trong và công tắc nguồn của bộ phát và bộ thu. Kết quả đo kiểm được chia thành hai giai đoạn vận hành rõ rệt:

• Giai đoạn chưa kết nối truyền thông: Màn hình LCD trên bộ thu hiển thị trạng thái chờ kết nối; giao diện Web Server do ESP8266 khởi tạo qua địa chỉ IP cục bộ ghi nhận trạng thái chưa liên kết với bộ phát.
• Giai đoạn kết nối truyền thông thành công: Hai thiết bị bắt tay truyền nhận qua giao thức Bluetooth BLE ổn định. Cụm quét cơ học xoay và đo lần lượt 03 điểm thanh cái; số liệu nhiệt độ đo được truyền về bộ thu và hiển thị đồng thời lên màn hình LCD 1602 và bảng số liệu trên giao diện Web Server thời gian thực.
• Thử nghiệm cơ chế cảnh báo: Khi tác giả kích thích gia nhiệt giả lập khiến nhiệt độ tại điểm đo vượt quá ngưỡng an toàn, còi Buzzer 5V trên bộ thu lập tức phát tín hiệu âm thanh cảnh báo, đồng thời ô thông số tương ứng trên giao diện Web đổi màu trực quan để cảnh báo người vận hành.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể theo các nhiệm vụ đặt ra ban đầu:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng gồm 02 thiết bị hoạt động độc lập: Bộ phát quét nhiệt độ sử dụng Arduino Nano và Bộ thu hiển thị/quản trị sử dụng ESP8266, hoàn chỉnh từ sơ đồ mạch in Altium đến lắp đặt khung vỏ.
• Ứng dụng thành công cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614-DCI đạt độ phân giải 0.02°C, độ chính xác cao (sai số lớn nhất 0.3°C), đáp ứng dải đo vật thể rộng từ -70°C đến 382.2°C ở khoảng cách hiệu dụng lên đến 1m.
• Thiết lập giải pháp quét cơ học 03 vị trí thanh cái chỉ với 01 cảm biến duy nhất nhờ sự kết hợp giữa động cơ bước 28BYJ-48 (qua driver ULN2003), đầu phát Laser định hướng và cảm biến Hall A3144 định vị điểm gốc.
• Triển khai thành công liên kết không dây tầm gần giữa 02 khối thông qua module Bluetooth BLE HM-10 qua giao tiếp UART và tập lệnh AT, loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây cáp tín hiệu phức tạp trong môi trường tủ điện cao thế.
• Tích hợp thành công bộ thu với mạng Wi-Fi cục bộ, xây dựng giao diện Web Server bằng HTML trên chip ESP8266 cho phép giám sát từ xa qua địa chỉ IP, kết hợp lưu trữ nhật ký nhiệt độ vào thẻ nhớ SD đồng bộ theo thời gian thực từ IC DS1307.
• Hoàn thiện tính năng cảnh báo sự cố kép: âm thanh qua còi Buzzer 5V và hình ảnh đổi màu trực quan trên trình duyệt Web.

Về mặt đóng góp, đề tài đưa ra giải pháp khắc phục các nhược điểm của các phương pháp hiện hành: không đòi hỏi nhân công đo đạc thủ công định kỳ như súng hồng ngoại/camera nhiệt; không cần can thiệp lắp cảm biến trực tiếp lên bề mặt dây dẫn cao áp như công nghệ SAW hay cảm biến tiếp xúc (vốn rất nguy hiểm và khó thay thế khi hỏng hóc); đồng thời tối ưu chi phí phần cứng nhờ cơ cấu xoay quét một cảm biến cho nhiều vị trí thay vì phải gắn cố định nhiều cảm biến độc lập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích kỹ thuật và phạm vi thực nghiệm trong tài liệu, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế nhất định:

• Cự ly đo nhiệt của cảm biến MLX90614-DCI bị giới hạn ở khoảng cách tối đa 1m, do đó bộ phát phải được bố trí trong không gian tương đối gần với các thanh cái trong tủ điện.
• Cơ cấu quét sử dụng chuyển động cơ học của động cơ bước; chu kỳ đo giữa 03 điểm bị gián đoạn theo thời gian dịch chuyển góc quay thay vì đo đồng thời liên tục tại tất cả các điểm cùng một tích tắc.
• Kết nối không dây giữa bộ phát và bộ thu phụ thuộc vào sóng Bluetooth BLE tầm gần, dễ bị suy hao hoặc nhiễu sóng trong môi trường tủ điện công nghiệp có nhiều kim loại và trường điện từ mạnh.
• Giao diện Web Server mới chỉ được triển khai dưới dạng máy chủ cục bộ trên vi điều khiển ESP8266 thông qua địa chỉ IP của mạng Wi-Fi nội bộ tại trạm điện mặt trời, chưa được tích hợp lên hệ thống cơ sở dữ liệu đám mây (Cloud) để giám sát trên diện rộng toàn cầu.
• Số lượng điểm giám sát trên mô hình thực nghiệm mới giới hạn ở 03 điểm thanh cái cố định.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài bao gồm việc mở rộng số lượng điểm đo, nâng cấp thuật toán điều khiển cơ cấu quét, tích hợp công nghệ IoT truyền dữ liệu lên nền tảng đám mây và tối ưu hóa vỏ hộp chống nhiễu điện từ công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Cung cấp tài liệu mẫu mực về quy trình thiết kế hệ thống nhúng từ lập sơ đồ khối, tính toán lựa chọn linh kiện, lập trình vi điều khiển (Arduino, ESP8266) đến thiết kế mạch in 2D/3D trên phần mềm Altium Designer.
• Kỹ sư vận hành hệ thống năng lượng tái tạo và trạm biến áp: Tham khảo giải pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc ứng dụng cho các điểm tiếp xúc dòng tải cao, thanh cái tủ phân phối nhằm phòng ngừa nguy cơ cháy nổ.
• Những người nghiên cứu phát triển thiết bị IoT công nghiệp: Cung cấp phương pháp tích hợp kết hợp nhiều chuẩn truyền thông nối tiếp (UART, I2C, SPI) và công nghệ không dây (Bluetooth BLE, Wi-Fi Web Server nhúng).

Nội dung đáng chú ý nhất để tham khảo là Chương 3 với sơ đồ thiết kế chi tiết khối cảm biến hồng ngoại MLX90614-DCI, cơ chế định vị gốc bằng cảm biến Hall A3144 và quy trình cấu hình truyền thông giữa Arduino Nano và ESP8266.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong hệ thống là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?
Hệ thống sử dụng module GY-906-DCI tích hợp cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614ESF-DCI (chuẩn y tế). Cảm biến có dải đo nhiệt độ đối tượng từ -70°C đến 382.2°C, dải đo nhiệt độ môi trường từ -40°C đến 125°C, độ phân giải phép đo là 0.02°C, sai số lớn nhất không quá 0.3°C, khoảng cách đo xa nhất đạt 1m và giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn I2C/SMBus (địa chỉ mặc định 0x5A).

2. Tại sao bộ phát dữ liệu lại tích hợp cả động cơ bước và cảm biến từ trường Hall?
Hệ thống cần đo nhiệt độ tại 03 vị trí thanh cái khác nhau nhưng chỉ sử dụng 01 cảm biến hồng ngoại duy nhất nhằm tiết kiệm chi phí. Do đó, động cơ bước 28BYJ-48 (điều khiển qua mạch đệm ULN2003) được dùng để xoay cụm cảm biến lần lượt tới 03 góc quét. Cảm biến Hall A3144 đóng vai trò công tắc hành trình từ tính giúp vi điều khiển nhận diện chính xác vị trí gốc ban đầu (Home) trước khi bắt đầu chu kỳ quay quét.

3. Dữ liệu từ bộ phát được chuyển tiếp về bộ thu và hiển thị bằng các kênh truyền thông nào?
Bộ phát gửi dữ liệu nhiệt độ không dây sang bộ thu bằng module Bluetooth BLE HM-10 thông qua giao tiếp nối tiếp UART. Tại bộ thu, vi điều khiển ESP8266 tiếp nhận dữ liệu và chuyển đổi để hiển thị tại chỗ trên màn hình LCD 1602 (qua giao thức I2C), đồng thời phát sóng Wi-Fi tạo Web Server hiển thị số liệu trực tiếp trên trình duyệt qua địa chỉ IP mạng nội bộ.

4. Khối lưu trữ dữ liệu trên bộ thu hoạt động theo cơ chế và chuẩn giao tiếp nào?
Bộ thu sử dụng module thẻ nhớ SD Card giao tiếp qua chuẩn SPI với vi điều khiển để lưu trữ các tệp số liệu nhiệt độ định kỳ. Để gắn nhãn thời gian chính xác cho từng bản ghi dữ liệu đo đạc, hệ thống tích hợp module thời gian thực RTC DS1307 giao tiếp qua chuẩn I2C.

5. Hệ thống kích hoạt cảnh báo nguy cơ quá nhiệt bằng hình thức nào khi xuất hiện sự cố?
Khi phát hiện nhiệt độ tại bất kỳ thanh cái nào vượt quá ngưỡng cài đặt trước, hệ thống cảnh báo đồng thời qua hai phương thức: vi điều khiển kích hoạt còi Buzzer chủ động 5V trên bộ thu phát ra âm thanh báo động liên tục, đồng thời trên giao diện Web Server cục bộ, ô hiển thị nhiệt độ của điểm bị quá nhiệt sẽ tự động đổi màu sắc để người vận hành nhận diện ngay lập tức.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Đình Chiến đã giải quyết thành công bài toán giám sát nhiệt độ không tiếp xúc cho 03 thanh cái thiết bị đóng cắt trong hệ thống điện mặt trời có lưu trữ. Bằng việc kết hợp cảm biến hồng ngoại MLX90614, cơ cấu xoay định vị động cơ bước - cảm biến Hall và bộ đôi vi điều khiển Arduino Nano - ESP8266, tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị thu - phát không dây qua Bluetooth BLE và Wi-Fi Web Server. Kết quả thực nghiệm khẳng định hệ thống vận hành tin cậy, dữ liệu hiển thị trực quan theo thời gian thực và phát tín hiệu cảnh báo kịp thời, mang lại giá trị ứng dụng cao cho công tác an toàn điện và phòng chống cháy nổ tại các trạm năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng tái tạo vô tận thiên nhiên mang đến cho con người. Nó được kỳ vọng sẽ vượt cả thủy điện, và là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới vào năm 2030. Việc phát triển nguồn điện từ các dạng năng lượng tái tạo như NLMT để loại bỏ khí thải carbon nhằm thực hiện hóa mục tiêu Net zero (giảm khí thải về 0) là xu thế của ngành năng lượng thế giới. Để đạt mục tiêu giảm thiểu khí thải cacbon đã được đặt ra trên phạm vi quốc tế cho năm 2050, quá trình chuyển đổi năng lượng sẽ chiếm một vai trò quan trọng.

Thật không may, năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời và năng lượng gió, về bản chất là không liên tục. Trong thế giới thực, mặt trời không chiếu sáng 24 giờ một ngày, và khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời vào những ngày nhiều mây giảm đáng kể, thực sự điều này cũng đúng với năng lượng do gió tạo ra [1]. Khi bị những đám mây che khuất làm giảm hiệu suất làm việc của các tấp pin, vì vậy khả năng cung cấp năng lượng sẽ không đáp ứng được nhu cầu năng lượng để cung cấp điện năng cho việc hoà lưới. Để khắc phục vấn đề này, và theo đuổi sự phụ thuộc ngày càng tăng vào các nguồn năng lượng mới, việc đầu tư vào hệ thống lưu trữ năng lượng là ưu tiên hàng đầu [2,3].

Xuất phát từ thực tế này, nhiều quốc gia trên thế giới đã kết hợp quá trình tăng tỷ lệ nguồn năng lượng tái tạo với việc đầu tư vào hệ thống lưu trữ năng lượng. Hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ góp phần giảm công suất cực đại vào giờ cao điểm của hệ thống điện, giảm tình trạng lưới điện bị quá tải, hoặc giảm nhu cầu đầu tư nguồn điện và hạ tầng lưới điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải cho một số ít giờ cao điểm, qua đó nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện. Hiện nay, tại Việt Nam đa phần dự án, nhất là điện mặt trời áp mái công suất nhỏ của các hộ gia đình đều dùng bộ biến tần hòa lưới, không có bộ lưu trữ điện. Tuy nhiên từ năm 2021, khuyến khích việc phát triển điện mặt trời áp mái hoàn toàn dừng hẳn, lý do là chưa có giá mua điện mặt trời thay thế.

Vì thế các hộ gia đình đang dần chuyển sang lắp đặt hệ thống pin lưu trữ, các lỗi bên trong cell pin, lỗi mạch sạc pin có thể ảnh hưởng đế nhiệt độ pin. Các lỗi phổ biến làm nhiệt độ pin tăng cao: tiếp đất, pin bị chập, 2 thông gió kém hoặc hệ thống làm mát không đủ làm mất khả năng điều tiết sạc. Theo dõi nhiệt độ pin có thể xác định được các lỗi này và cảnh báo trước khi xảy ra hiện tượng thoát nhiệt. Nếu nhiệt độ của pin không được theo dõi và điều chỉnh thích hợp, có thể dẫn đến hư hỏng, pin bị biến dạng cơ học, bị phù, một số trường hợp nghiêm trọng như cell pin bị vỡ, làm rò rỉ hóa chất, cháy nổ,.

Các hệ thống giám sát các thiết bị điện của NLMT có lưu trữ hiện nay tập trung giám sát các thông số bao gồm nhiệt độ thiết bị đóng cắt, đồng hồ đo chất lượng điện, máy biến áp, bộ biến tần. Giám sát môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tấm pin. Các hệ thống đó còn tích hợp giám sát điện năng tại các vị trí phân tán, giám sát các chỉ số từ các thiết bị đo điện năng. Giám sát trạng thái pin thông minh với phân tích dự đoán và cảnh báo trước khi hỏng hóc.

Những hệ thống giám sát này có nhược điểm là bỏ qua việc giám sát nhiệt độ các thiết bị điện của hệ thống điện như các thanh cái của thiết bi đóng cắt hay dây dẫn cao áp truyền tải điện năng sau biến tần và trạm biến áp. Khi hệ thống vận hành truyền tải điện năng, các thanh cái hay dây dẫn điện của hệ thống biến tần (Inverter), trạm biến áp hay đầu vào và đầu ra của các thiết bị đóng cắt sẽ sinh ra nhiệt năng. Việc giám sát nhiệt độ thiết bị điện và các điểm tiếp xúc dây dẫn là rất quan trọng [6]. Nhiệt độ trong hệ thống điện là một trong những vấn đề quan trọng cần phải giám sát thường xuyên.

Bên cạnh các điều kiện ở trạng thái ổn định, chế độ nhiệt quá độ của thanh cái có ảnh hưởng quan trọng đến toàn bộ hệ thống cung cấp điện. Do đó, một hệ thống giám sát nhiệt độ trực tuyến của thanh cái đã được phát triển [7]. Tại các vị trí tiếp điểm bị lỗi, kết nối không tốt sẽ làm cho giá trị điện trở tiếp xúc các mối nối tăng lên, điều này sẽ dẫn đến giá trị nhiệt độ tăng, gây nguy cơ cháy nổ cao. Theo dõi nhiệt liên tục là giải pháp hiệu quả nhất cho phép người dùng: giảm rủi ro cho người vận hành và thiết bị, giúp ngăn ngừa sự cố kết nối, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến cho các cài đặt quan trọng, tối ưu hóa chi phí bảo trì.

Ngày nay với việc phát triển mạnh của kỷ nguyên kỹ thuật số, áp dụng vào ngành năng lượng tái tạo. Bây giờ, các kỹ sư và công nhân vận hành các hệ thống điện NLMT không còn phải áp dụng các phương pháp thủ công dùng chuẩn đoán, bảo trì hệ thống nữa. Thay vào đó, là sự thay thế của các hệ thống điều khiển – giám sát, giúp chúng ta 3 phân tích và đánh giá và đưa ra cảnh báo tình trạng của hệ thống. Với mong muốn đưa ra được giải pháp tối ưu, em đã hình thành ý tưởng để đưa ra được những giải pháp kỹ thuật, đề xuất những điểm mới trong ứng dụng công nghệ cao cho việc giám sát nhiệt độ các thiết bị điện của hệ thống điện mặt trời có lưu trữ sử dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại.

Mục tiêu đề tài Đồ án này đi thiết kế, chế tạo một bộ giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện. Hệ thống gồm hai thành phần đó là phần Phát và phần Thu. Giữa phần Phát và Thu được liên kết với nhau qua mô-đun Bluetooth. Bộ Thu có thêm mô-đun Wifi và tạo giao diện WebServer bằng ngôn ngữ HTML.

Những kết quả dữ liệu đã được kết nối thông qua mạng Interner. Bộ giám sát này được đề xuất cho hệ thống Điện mặt trời có lưu trữ. Nhằm đảm bảo cho hệ thống lưới điện mặt trời lưu trữ được hoạt động ổn định lâu dài, cũng nhằm dự báo các nguyên nhân gây hỏng hóc và mất ổn định tác động lên hệ thống. Giải pháp đề xuất bao gồm 2 thành phần chính: Bộ phát dùng vi điều khiển Arduino Nano với cảm biến đo nhiệt độ MLX90614- DCI [8,9] và mô-đun BLE ( Bluetooth Low Energy – Bluetooth 4.

Bộ thu bao gồm mô-đun Bluetooth nhận dữ liệu, mô- đun Esp8266 và tạo giao diện WebServer bằng ngôn ngữ HTML cho phép hiển thị và truy xuất dữ liệu nhiệt độ đo đạc thông qua địa chỉ IP của Web. Mục tiêu mà đề tài đang hướng đến cần giải quyết được các bài toán như: • Đo và giám sát được nhiệt độ 03 điểm ứng với 03 thanh cái của đầu vào, đầu ra thiết bị đóng cắt. • Truyền và nhận dữ liệu nhiệt độ giữa hai thiết bị bộ thu và bộ phát qua Bluetooth. • Kết nối bộ thu dữ liệu với mạng Wifi cục bộ của trang trại điện NLMT có lưu trữ.

• Hiển thị nhiệt độ của 03 điểm đó lên màn hình LCD 1602 có trên bộ thu. • Hiển thị giá trị nhiệt độ 03 điểm đó lên Web Server do ESP8266 có trong bộ thu tạo ra. • Ghi các giá trị nhiệt độ đó vào thẻ nhớ để dễ dàng truy suất trên máy tính hoặc Web Server. • Cảnh báo nhiệt độ quá giới hạn bằng màu sắc trên Web và còi có trong bộ thu.

Nội dung nghiên cứu Để hoàn thành đồ án “Giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện của hệ thống điện mặt trời có lưu trữ” sẽ phải thực hiện các nội dung như sau: • Nghiên cứu tài liệu về giao tiếp không giây và mạng Internet, các chuẩn giao tiếp và phần mềm. • Nghiên cứu mô hình điều khiển. • Lựa chọn và thiết kế mạch phần cứng cho mô hình. • Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng thiết bị.

• Thử nghiệm điều chỉnh hệ thống cũng như chương trình để tối ưu. • So sánh đánh giá các thông số mô hình với thực tế. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠNG TRUYỀN THÔNG CHO NLMT CÓ LƯU TRỮ 2. Tổng quan về giám sát nhiệt độ thiết bị điện hệ thống điện mặt trời có lưu trữ 2.

Giới thiệu về hệ thống điện mặt trời có lưu trữ Một hệ thống năng lượng mặt trời có lưu trữ bao gồm các tấm pin quang điện PV (Photovoltaic) có đầu ra được kết nối với bộ chuyển đổi DC-DC, bộ điều khiển sạc và thiết bị lưu trữ năng lượng ESS (Energy Storage Systems). Bộ chuyển đổi DC-DC tăng hoặc giảm điện áp đầu ra của mảng PV đến mức tương thích hơn với bộ điều khiển sạc, bộ điều khiển sạc điều chỉnh dòng điện và điện áp cung cấp cho pin để duy trì tuổi thọ của pin và tránh làm hỏng hệ thống pin lưu trữ [12. Đầu ra của bảng điều khiển năng lượng mặt trời ở dạng DC mà phần lớn phụ tải kết nối với mạng hệ thống điện ở dạng xoay chiều. Do đó, chúng ta cần chuyển đổi công suất đầu ra một chiều thành điện xoay chiều.

Vì vậy, biến tần được sử dụng trong các nhà máy điện mặt trời [14-16] theo Hình 2.1 Năng lượng mặt trời với hệ thống lưu trữ điện năng 2. Giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện Phương pháp giám sát nhiệt độ tại các thiết bị điện hiện nay sử dụng chủ yếu là các thiết bị gián tiếp như súng đo nhiệt độ hồng ngoại và camera chụp ảnh nhiệt (Hình 2. Giải pháp này có ưu điểm là vận hành đơn giản nhưng hạn chế của nó là không thể giám sát nhiệt độ một cách liên tục và tốn chi phí thuê nhân công. Gần đây, đã có một số giải pháp tiên tiến được giới thiệu để giám sát nhiệt độ thiết bị điện như dùng cảm biến nhiệt gắn trực tiếp lên điểm nối dây dẫn để đo nhiệt độ, kết hợp với bộ thiết bị phụ trợ kết nối không dây để thu thập dữ liệu.