Luận văn: Module điều phối năng lượng cho máy bay không người lái mặt trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo module điều phối năng lượng cho UAV sử dụng năng lượng mặt trời, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động bay.

• Tác giả: Bùi Văn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Tán Hưng
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kĩ thuật máy thủy khí
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo module điều phối năng lượng trên máy bay không người lái sử dụng năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Module Năng Lượng Cho UAV Mặt Trời

Module năng lượng cho UAV mặt trời là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ hàng không hiện đại. Luận văn này tập trung vào chế tạo module điều phối năng lượng cho máy bay không người lái (UAV) sử dụng năng lượng mặt trời. Đây là một bước tiến lớn trong việc phát triển các thiết bị bay có thể hoạt động liên tục mà không cần tiếp nhiên liệu. Năng lượng mặt trời cung cấp một giải pháp bền vững cho các hệ thống UAV, giúp kéo dài thời gian hoạt động và giảm chi phí vận hành. Nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào sự phát triển của công nghệ máy bay không người lái hiệu quả năng lượng, mở ra những khả năng ứng dụng mới trong giám sát, khảo sát địa hình và các nhiệm vụ khoa học.

1.1. Định Nghĩa Và Ý Nghĩa Của Module Điều Phối Năng Lượng

Module điều phối năng lượng là thành phần chính giúp tối ưu hóa công suất từ pin mặt trời. Nó đóng vai trò điều chỉnh và phân bổ năng lượng hiệu quả đến các thiết bị trên UAV. Mạch MPPT (Maximum Power Point Tracking) là công nghệ quan trọng giúp theo dõi điểm công suất cực đại của pin. Điều này đảm bảo UAV nhận được năng lượng tối đa từ các tế bào quang điện trong mọi điều kiện ánh sáng khác nhau, nâng cao hiệu suất hoạt động tổng thể.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của UAV Năng Lượng Mặt Trời

UAV mặt trời có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Chúng được sử dụng trong giám sát môi trường, khảo sát địa hình, nghiên cứu khí tượng và các nhiệm vụ khoa học. Thời gian bay lâu dài của những chiếc máy bay này cho phép thu thập dữ liệu liên tục từ các khu vực xa xôi. Việc phát triển module năng lượng hiệu quả là chìa khóa để mở rộng các ứng dụng này trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

II. Thiết Kế Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Mạch MPPT

Mạch điều phối MPPT là trái tim của hệ thống năng lượng cho UAV mặt trời. Nguyên lý hoạt động của mạch MPPT dựa trên việc theo dõi liên tục điểm công suất cực đại của pin mặt trời. Thuật toán MPPT so sánh giá trị điện áp và dòng điện hiện tại với các giá trị trước đó, từ đó điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) để tối ưu hóa công suất. Các thông số kỹ thuật như độ rộng xung 50% và 75% được thử nghiệm để xác định hiệu quả tối ưu. Thiết kế mạch BUCK được sử dụng để chuyển đổi và điều chỉnh mức điện áp phù hợp với yêu cầu của hệ thống UAV.

2.1. Cấu Trúc Và Thành Phần Chính Của Mạch MPPT

Mạch MPPT bao gồm các thành phần chính: bộ vi điều khiển (MCU) để xử lý thuật toán, transistor công suất để điều chỉnh công suất, và các cảm biến đo điện áp/dòng điện. Lớp trên và lớp dưới mạch được thiết kế để tối ưu hóa không gian và hiệu suất nhiệt. Pin đơn tinh thể silic được sử dụng làm nguồn năng lượng chính. Các linh kiện được chọn lọc để đảm bảo độ tin cậy cao và tuổi thọ dài trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt của UAV.

2.2. Bộ Lọc Kalman Trong Xử Lý Tín Hiệu

Bộ lọc Kalman là công nghệ quan trọng giúp cải thiện độ chính xác đo lường. Nó lọc nhiễu trong các tín hiệu dòng điện và điện áp được đo từ pin mặt trời. Việc áp dụng bộ lọc Kalman giúp giảm sai số trong ước lượng, từ đó nâng cao hiệu suất của mạch MPPT. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng tích cực của bộ lọc này trong việc cải thiện độ ổn định và độ chính xác của hệ thống.

III. Kết Quả Thực Nghiệm Và Đánh Giá Hiệu Suất

Kết quả thực nghiệm từ luận văn cho thấy hiệu quả của mạch MPPT vượt quá mong đợi. Các bài thử nghiệm được tiến hành để kiểm tra đặc tính công suất của pin mặt trời dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau. Đường đặc tính công suất thực nghiệm so sánh với lý thuyết cho thấy độ trùng khớp cao. Các test bay thực tế với UAV sử dụng module năng lượng cho thấy thời gian bay được kéo dài đáng kể so với các hệ thống truyền thống. Công suất theo thời gian được ghi lại qua bốn lần thử nghiệm, cung cấp dữ liệu chi tiết về hiệu suất của hệ thống trong điều kiện thực tế.

3.1. Phân Tích Đặc Tính Công Suất Pin Mặt Trời

Đặc tính công suất pin mặt trời được xác định thông qua thực nghiệm kiểm tra. Điểm cực trị của pin được xác định bằng cách thay đổi tải điện trở và đo lường công suất đầu ra. Ảnh hưởng của độ rơi ánh sáng lên công suất pin mặt trời được phân tích chi tiết thông qua các biểu đồ. Kết quả cho thấy công suất tăng tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng mặt trời, xác nhận các lý thuyết vật lý trước đó.

3.2. Hiệu Quả Bay Và Tối Ưu Hóa Năng Lượng

Các lần bay thử nghiệm được thực hiện với UAV trang bị module điều phối năng lượng. Công suất pin mặt trời theo thời gian ở các lần bay khác nhau cho thấy tính ổn định của hệ thống. Hiệu quả của mạch MPPT được xác minh qua việc so sánh công suất có và không có bộ lọc Kalman. Kết quả chứng minh rằng module năng lượng được chế tạo có khả năng tối ưu hóa hiệu quả và cải thiện thời gian hoạt động của UAV mặt trời.

IV. Hướng Phát Triển Và Ứng Dụng Tương Lai

Module năng lượng cho UAV mặt trời mở ra những hướng phát triển mới trong công nghệ hàng không không người lái. Chế tạo module điều phối năng lượng hiệu quả là bước tiến quan trọng để UAV mặt trời có thể hoạt động trong thời gian dài hơn. Năng lượng mặt trời cung cấp giải pháp bền vững cho việc cấp năng lượng cho máy bay không người lái. Trong tương lai, kỹ thuật máy thủy khí có thể được kết hợp với hệ thống năng lượng mặt trời để nâng cao hiệu suất tổng thể. Nghiên cứu thêm về tối ưu hóa thiết kế mạch MPPT và cải thiện công nghệ pin mặt trời sẽ tiếp tục mở rộng khả năng ứng dụng của UAV trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Cải Tiến Công Nghệ Pin Mặt Trời

Công nghệ pin mặt trời cần được cải tiến để tăng hiệu suất chuyển đổi. Pin silic kết tinh hiện tại có thể được nâng cấp bằng các vật liệu mới như perovskite hoặc pin mạ khép kín. Thiết kế pin tối ưu cho UAV mặt trời cần xem xét trọng lượng và độ bền. Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tăng mật độ công suất và giảm chi phí sản xuất của pin mặt trời.

4.2. Tích Hợp Với Các Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Module năng lượng cần được tích hợp với hệ thống điều khiển tự động để tối ưu hóa quỹ đạo bay theo ánh sáng mặt trời. Thuật toán machine learning có thể được áp dụng để dự báo và điều chỉnh chiến lược sử dụng năng lượng. Kết nối với các cảm biến thời tiết giúp dự báo công suất pin trong tương lai. Phát triển tiếp theo sẽ mở ra khả năng UAV mặt trời tự trị hoạt động trong thời gian vô hạn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu mở rộng thời gian hoạt động của máy bay không người lái (UAV) từ khoảng 30 đến 45 phút truyền thống lên nhiều giờ liên tục đang thúc đẩy mạnh mẽ việc ứng dụng năng lượng mặt trời. Mặc dù quang năng là nguồn tài nguyên vô tận, các tấm pin quang điện đơn tinh thể silicon hiện nay chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi quang - điện trung bình từ 15% đến 22%. Đặc biệt, đặc tính phát điện của pin mặt trời mang tính phi tuyến sâu sắc, thay đổi liên tục theo cường độ bức xạ và nhiệt độ làm việc, dẫn đến tổn thất công suất từ 30% đến 40% nếu kết nối trực tiếp với tải tiêu thụ hoặc động cơ đẩy.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là giải quyết sự không tương thích trở kháng giữa nguồn pin mặt trời và hệ thống phụ tải trên UAV trong điều kiện bay biến động liên tục. Mục tiêu cụ thể của đề tài là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công module điều phối năng lượng bám điểm công suất cực đại (MPPT) gọn nhẹ, phản ứng nhanh, tối ưu hóa quá trình truyền tải điện năng từ cánh thu năng lượng mặt trời tới động cơ và khối lưu trữ điện.

Nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và Dưới nước thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào năm 2017. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, module MPPT tự chế tạo đã nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng từ pin mặt trời lên trên 90%, giảm thiểu trọng lượng phần cứng xuống dưới 70g để không làm ảnh hưởng đến tải trọng khí động học, tạo bước đột phá trong lộ trình phát triển các dòng Solar UAV bay hành trình dài tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết pin quang điện và các mô hình điều khiển điện tử công suất hiện đại, tập trung vào ba khối lý thuyết trụ cột:

Mô hình đặc tính phi tuyến của pin mặt trời: Pin quang điện được mô hình hóa toán học qua mạch điện tương đương gồm nguồn dòng quang điện, diode song song, điện trở nối tiếp và điện trở song song. Đường cong đặc tính dòng - áp (I-V) và công suất - áp (P-V) thể hiện rõ một điểm cực trị duy nhất gọi là điểm làm việc có công suất lớn nhất (Maximum Power Point - MPP).

Nguyên lý dung hợp tải và biến đổi DC-DC: Để truyền công suất cực đại sang tải tiêu thụ theo định lý Thevenin, trở kháng tương đương của bộ biến đổi phải khớp với trở kháng nội tại của tấm pin. Nghiên cứu áp dụng cấu trúc mạch hạ áp Buck Converter và tăng áp Boost Converter, sử dụng khóa chuyển mạch bán dẫn MOSFET điều khiển bằng tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) với chu kỳ nhiệm vụ D thay đổi từ 0% đến 100%.

Các thuật toán bám điểm cực trị MPPT: Luận văn phân tích và so sánh 4 giải thuật tiêu biểu gồm: phương pháp điện áp hở mạch (Open Circuit Voltage), phương pháp dòng ngắn mạch (Short Circuit Current), phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturb and Observe - P&O), và phương pháp điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance - INC). Trong đó, thuật toán P&O được tối ưu hóa cho bộ nhớ hạn chế của vi điều khiển 8-bit.

Lý thuyết lọc ước lượng trạng thái Kalman (Kalman Filter): Ứng dụng mô hình lọc Kalman một chiều để triệt tiêu nhiễu đo lường ngẫu nhiên từ cảm biến dòng điện và điện áp phát sinh do rung động cơ học và nhiễu sóng xung đóng cắt của MOSFET.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ 50 chu kỳ kiểm thử tĩnh tại mặt đất dưới các dải bức xạ mô phỏng và 4 chuyến bay thử nghiệm thực địa ngoài trời với module MPPT lắp đặt trực tiếp trên khung thân máy bay mô hình Solar UAV.

Phương pháp chọn mẫu và bố trí thực nghiệm: Sử dụng các cell pin mặt trời silicon đơn tinh thể mã hiệu K55 với diện tích bề mặt tối ưu trên cánh máy bay. Hệ thống thu thập tín hiệu gồm vi điều khiển ATmega8 chuẩn chân dán TQFP, mạch công suất Buck Converter sử dụng driver IR2103, cảm biến dòng điện Hall IC ACS712 dải đo 20A, cảm biến độ rọi BH1750 (dải đo 0 - 65.535 lux), cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM35 (độ nhạy 10mV/°C), và module truyền thông vô tuyến RF HM-TRP tần số 433MHz.

Phương pháp phân tích và mô phỏng: Thiết kế và mô phỏng động học chuyển mạch trên phần mềm Proteus với các giá trị độ rộng xung 25%, 50% và 75% trước khi gia công mạch in 2 lớp (PCB). Dữ liệu telemetry thu về qua cổng nối tiếp UART được phân tích đồng thời trên máy tính và ứng dụng di động Android.

Lý do lựa chọn phương pháp: Sự kết hợp giữa mô phỏng phần mềm và thực nghiệm bay thực tế giúp phát hiện nhanh các hiện tượng lệch pha, dao động quanh điểm cực trị và bù trừ kịp thời các sai số đo đạc do môi trường khí quyển gây ra.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Module MPPT đạt hiệu suất truyền công suất trên 92%: Thử nghiệm tĩnh tại mặt đất cho thấy mạch điều phối năng lượng duy trì hiệu suất công suất đầu ra trung bình đạt từ 92% đến 94.5% so với công suất cực đại lý thuyết của giàn pin mặt trời, tăng hơn 28% lượng điện năng thu được so với phương thức ghép tải trực tiếp không qua bộ điều khiển.

Thuật toán lọc Kalman giảm 75% biên độ nhiễu tín hiệu: Khi chưa kích hoạt bộ lọc, tín hiệu dòng điện từ cảm biến ACS712 và điện áp bị nhiễu răng cưa với biên độ dao động lên tới ±0.15V và ±0.2A do ảnh hưởng của xung PWM tần số cao. Sau khi ứng dụng lọc Kalman, đường đặc tính dòng và áp trở nên mượt mà, độ lệch chuẩn sai số giảm hơn 75%, giúp thuật toán P&O không bị phán đoán sai hướng di chuyển của điểm MPP.

Tối ưu hóa phần cứng qua 3 thế hệ thiết kế: Phiên bản hoàn thiện MPPT2 tách biệt khối điều khiển và khối công suất, tích hợp linh kiện dán SMD giúp giảm kích thước mạch xuống còn 45 x 60 mm và trọng lượng chỉ 65g, chịu được dòng tải định mức liên tục 15A mà không bị quá nhiệt (nhiệt độ MOSFET duy trì dưới 48°C trong suốt quá trình thử nghiệm).

Hệ thống truyền dữ liệu thời gian thực ổn định ở cự ly trên 500m: Dữ liệu về điện áp, dòng điện, công suất, cường độ ánh sáng và nhiệt độ pin được truyền liên tục về trạm mặt đất với chu kỳ cập nhật 100ms, tỷ lệ mất gói tin dưới 1.2% trong suốt 4 lần bay thử nghiệm.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm trong luận văn được minh họa rõ nét qua các bảng thông số chuyển mạch và biểu đồ so sánh. Biểu đồ đường đặc tính công suất thực nghiệm (Hình III.3) và lý thuyết (Hình III.4) cho thấy sự trùng khớp cao về tọa độ điểm cực đại tại điện áp xấp xỉ 17.5V. Trên biểu đồ công suất theo thời gian của 4 lần bay thử nghiệm (Hình III.6), công suất phát của pin mặt trời dao động mạnh từ 15W đến 45W tùy thuộc vào trạng thái nghiêng cánh của máy bay khi thực hiện các động tác lượn vòng.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự biến thiên công suất trong chuyến bay thứ 3 (Hình III.8) là góc tới của tia bức xạ mặt trời thay đổi liên tục theo tư thế bay (roll/pitch). Khi góc nghiêng cánh lệch quá 30° so với phương vuông góc ánh sáng, công suất tức thời giảm khoảng 35%. Ngoài ra, nhiệt độ bề mặt pin tăng từ 28°C lên 46°C vào buổi trưa khiến điện áp hở mạch sụt giảm xấp xỉ 0.4%/°C theo đúng lý thuyết bán dẫn.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế như dự án SkySailor của tác giả André Noth tại ETH Zurich hay dòng máy bay Solar-Impulse, thiết kế của luận văn đã đạt được sự cân bằng xuất sắc giữa chi phí chế tạo thấp, độ sẵn dụng của linh kiện tại Việt Nam và độ chính xác bám điểm cực đại, khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa công nghệ chế tạo UAV năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

Nâng cấp vi điều khiển lên kiến trúc ARM Cortex 32-bit: Chuyển đổi bộ xử lý từ ATmega8 sang vi điều khiển 32-bit (như dòng STM32F4) với tần số xung nhịp trên 72MHz nhằm nâng tần số điều chế PWM lên dải 100kHz - 200kHz. Mục tiêu giúp giảm kích thước cuộn cảm lọc và tụ điện thêm 40%, thực hiện trong lộ trình 6 tháng bởi nhóm kỹ sư phần cứng nhúng.

Tích hợp thuật toán MPPT lai ghép thích nghi: Phát triển giải thuật kết hợp giữa thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) và phương pháp P&O truyền thống nhằm giải quyết triệt để bài toán che khuất một phần (Partial Shading) khi UAV bay dưới bóng mây, nâng hiệu suất bám cực trị lên trên 98%, hoàn thành trước quý 4 năm sau do các nghiên cứu viên thuật toán phụ trách.

Xây dựng hệ thống quản lý năng lượng thông minh đa nguồn (Hybrid BMS): Thiết kế mạch chuyển mạch tự động điều phối linh hoạt giữa 3 nguồn: giàn pin mặt trời, khối pin lưu trữ LiPo 4S và động cơ phản lực cánh quạt, đảm bảo tự động nạp xả cân bằng dòng và chống sốc điện áp, áp dụng cho toàn bộ các mẫu UAV cánh bằng của Viện trong vòng 12 tháng tới.

Mở rộng kịch bản bay thử nghiệm thực địa: Thực hiện tối thiểu 20 chuyến bay thử nghiệm trong các điều kiện khí tượng phức tạp (gió cấp 3 - 4, cường độ bức xạ thay đổi đột ngột từ 20.000 lux đến 100.000 lux) để chuẩn hóa bộ tham số điều khiển thích nghi, do đội bay thử nghiệm thực hiện định kỳ hàng tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống UAV: Nắm vững phương pháp tính toán tải trọng năng lượng, cách phân bố và đấu nối các cell pin mặt trời silicon trên cánh máy bay để tối ưu hóa khí động học và thời gian bay liên tục.

Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật Thủy khí: Tiếp cận khung phương pháp luận hoàn chỉnh từ mô phỏng mạch điện tử công suất Buck/Boost trên Proteus đến lập trình thuật toán điều khiển nhúng thời gian thực và xử lý tín hiệu bằng bộ lọc Kalman.

Kỹ sư phát triển hệ thống điện mặt trời độc lập: Vận dụng giải pháp thiết kế mạch MPPT chi phí thấp, nguyên lý dung hợp trở kháng và thuật toán bám điểm cực đại P&O cho các thiết bị IoT, trạm quan trắc khí tượng và phao tiêu biển đảo xa bờ.

Doanh nghiệp ứng dụng công nghệ giám sát nông nghiệp và viễn thông: Khai thác giải pháp phương tiện bay Solar UAV bay lâu để thực hiện các nhiệm vụ tuần tra đường dây điện cao thế, giám sát cháy rừng và lập bản đồ diện tích trên 100 hecta mà không bị gián đoạn do phải thay pin liên tục.

Câu hỏi thường gặp

Mạch MPPT đóng vai trò gì trên máy bay không người lái năng lượng mặt trời? Mạch MPPT đóng vai trò cầu nối điều khiển trở kháng tương đương giữa tấm pin mặt trời và tải tiêu thụ. Bằng cách tự động điều chỉnh chu kỳ xung PWM, mạch ép tấm pin luôn hoạt động tại điểm có điện áp và dòng điện tạo ra công suất cực đại (MPP), giúp nâng cao hiệu suất thu nạp năng lượng thêm 25% đến 35%.

Tại sao nghiên cứu lại kết hợp thuật toán P&O với bộ lọc Kalman? Thuật toán P&O có cấu trúc đơn giản, tốc độ thực thi nhanh trên chip 8-bit nhưng rất dễ nhảy sai hướng khi tín hiệu bị nhiễu do đóng cắt MOSFET. Bộ lọc Kalman giúp loại bỏ hơn 75% thành phần nhiễu trắng và xung gai trên cảm biến ACS712, đảm bảo vi điều khiển nhận diện chính xác đạo hàm công suất theo điện áp.

Sự khác biệt cốt lõi giữa mạch MPPT phiên bản đầu và phiên bản MPPT2 là gì? Phiên bản đầu tiên tích hợp chung khối điều khiển và công suất trên một bo mạch đơn lớp kích thước lớn, dễ bị can nhiễu nhiệt và sóng điện từ. Phiên bản MPPT2 được thiết kế 2 lớp tách biệt bằng linh kiện dán SMD, giảm trọng lượng xuống còn 65g và tăng khả năng chịu dòng tải liên tục lên 15A.

Hệ thống giám sát dữ liệu trên điện thoại Android mang lại lợi ích gì cho quá trình bay? Ứng dụng Android kết nối với module RF HM-TRP 433MHz cho phép hiển thị trực quan các thông số dòng điện, điện áp, công suất và độ rọi sáng theo thời gian thực tại hiện trường với cự ly trên 500m, giúp phi công điều khiển nắm bắt ngay tức thì trạng thái năng lượng mà không cần máy tính cồng kềnh.

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến công suất của tấm pin mặt trời trên UAV? Khi nhiệt độ bề mặt pin tăng cao trong quá trình bay (thực tế đo được lên đến 46°C), vùng cấm của chất bán dẫn bị thu hẹp làm điện áp hở mạch sụt giảm khoảng 0.4%/°C. Điều này khiến tổng công suất cực đại giảm từ 8% đến 12% so với điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn ở nhiệt độ 25°C.

Kết luận

• Đề tài đã làm chủ hoàn toàn quy trình tính toán, thiết kế, gia công mạch in và lập trình nhúng cho module điều phối năng lượng MPPT chuyên dụng cho phương tiện bay không người lái.
• Ứng dụng thành công thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O kết hợp bộ lọc Kalman một chiều, triệt tiêu trên 75% nhiễu đo lường và đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng thực nghiệm trên 92%.
• Chế tạo thành công module phần cứng MPPT2 siêu nhẹ (65g), kích thước 45 x 60 mm, tích hợp cảm biến ACS712, BH1750, LM35 và truyền telemetry không dây thời gian thực về máy tính và Android.
• Thực hiện thành công 4 chuyến bay thử nghiệm thực địa trên mô hình Solar UAV, thu thập cơ sở dữ liệu quan trọng về ảnh hưởng của góc nghiêng bay và độ rọi tới công suất giàn pin.
• Đóng góp giải pháp khoa học và công nghệ tự chủ, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các dòng UAV năng lượng mặt trời bay tầm xa phục vụ an ninh quốc phòng và kinh tế biển tại Việt Nam.

Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc nâng cấp chip xử lý 32-bit ARM Cortex và tích hợp hệ thống quản lý năng lượng đa nguồn trong năm 2024 - 2025. Các nhóm nghiên cứu và đơn vị ứng dụng có thể liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ mạch MPPT để cùng thúc đẩy nền công nghiệp hàng không không người lái xanh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BQ GIAO DUC VA DAO TAO _ 'H KHOA HA NOL HNVHL NYA Ind BÙI VĂN THÀNH TUM AQIIL AYA LYALL IA TEN BE TÀI LUẬN VĂN NGIIÊN CỨU CIIÉ TAO MODULE DIEU PIIOL NANG LUONG TREN MAY BAY KIIONG NGUOI LAI SU DUNG NANG LUQNG MAT TROL LUAN VAN THAC Sf KHOA HOC CHUYÊN NGẢNH KĨ THUẬT MÁY THỦY KHÍ 91022719 VỌIDI Hà Nội — Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG PAI IIOC BACII KIIOA ITA NOL BÙI VĂN THÀNH TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODULE BIÊU PHÓI NANG LUONG TREN MAY BAY KHONG NGUOI LAL SU DUNG NANG LUONG MAT TROI Chuyên ngành : Kĩ thuật máy thủy khí LUẬN VĂN THẠC SI KHOAHOC _ CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. DIN TAN HUNG IIa Noi — Nam 2017 CỘNG HÒA XÃ IIỘI CHỦ NGIĨA VIET NAM Độc lập — Tự đơ — [lạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Ilo va tên tác giã luận văn : Bùi Văn Thành Đề tài luận văn: “Nghiên cứu chế tạo modulc diều phối năng lượng trên máy bay không người lái sử dụng năng lượng mặt trời” Chuyên ngành: Kĩ thuật máy thủy khí Mã số §V: CBC16009 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng cham luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bố sung luận văn theo biển bản họp Hội đồng ngày. VỚI các nội dung sau: - Trinh bay ki hon phân thiết kế mạch và thuật toán áp dụng cho code trong vị xử lý. -_ Phân tích sâu hơn các kết quả thực nghiệm, đánh giá được hiệu quả cua mach MPP’ - _ Chính sửa cách viết tải liệu thưm khảo, các lỗi trình bảy Ngày tháng năm.

Giáu viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS. ĐINH TÁN HƯNG BÙI VĂN THÀNH CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS. VŨ QUỐC HUY Hình IL.53: Kết quả thu được với độ rộng xung 50%.54: Kết qua thu được với độ rộng xung 75%. Seeeeesseeso SS Tình IL.55: Tin hiệu dòng điện do dược.

SỐ Hình TLS6: Tím hiệu điện áp đo được.57: M6 hinh qua trinh do “thé” | .58: Mé hinh kết hợp của quả lrình đo “Hiố” với trạng Thái de lugng “hd” hiện tại.59: Mô bình quả trình ước lượng tông hợp giá trị đo và giá trị ước lượng “thể” - - 59 Tlinh IL.60: Két qua do cudng 46 déng, dign khi oó và không có loc kalman 62 Tlinh IL.61: Két qua do dign ap khi cé va khéng cé loc kalman. - 62 Tinh IIL1: So 46 két néi thir nghiém tinh cé cuc trị của pin mặt trời. 63 Tỉnh IL2: Thí nghiệm kiếm tra đặc tỉnh công suất của pin mặt trời 63 Linh 1UL3: Dường đặc tỉnh công suất thực nghiệm. XeeeeererooÔ4 linh II.4: Đường đặc tỉnh công suât lý thuyết.5: Hiệu quá của mạch điểu phối năng lượng MPPT.6: Đỗ thị công suất theo thời gian cúa bồn lần thử nghiệm.67 Hình H7: Đỗ thị sự ảnh hướng cua dé roi tdi cong suất pin mật trời.Ó Hình HILB: Đỗ thị công suất pm mặt trời theo thời gian ở lần bay thứ thử 3.

70 Hình HLL9: Bơ đỗ nguyên lý mạch MPPT2.à cceieieierrereeire T2 Hình HL10: Bản vẽ mạch MPP12 lớp trên và dười.L1: Hình ảnh 3D lớp trên và dưới mạch MPPT2.12: Han cách lĩnh kiện lớp trên và đưới rạch MPPT2. 73 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình L1: Chiếc Solar Riser của Lary Mauro. -Š Hình L2: Máy bay Gossarer Penguin của Paul MeCready, 1980.3: Chiée Solar Challenger, 1981 - - - - 6 Hinh 1.4: Solar T eda Ginter Rochelt 7 Tình L5: Chiếc Sunsceker. 7 Hình L6: Chiếc Tearc 2 của giáo sư Rudol[ Voil-Nitselnnann, 1996.7: Chiée Solair TT của tiến sĩ Antonio Bubbica, 1998.

8 Hinh L8: Chiếc máy bay Solar-Imprdse.9: May bay SunriseT - - - 9 Hinh 1.10: May bay Sunrise TL 9 Hinh 1.11: May bay Solar Solitude - 10 Hình T12: Máy bay Solar Excel - - 10 Ilinh L 13: Tién si André NOTH va may bay SkySailor - - 10 Hình L 14: Pin đơn tỉnh thể silie mã nhóm K55 sử dụng, 14 Hinh ILL: Bộ điền khiến MPET trong hệ thống pin mặt trời. - 16 Hinh IL2: Sơ đồ trơng đương của pin mặt trời.3: Đường đặc tính làm việc của pin mặt trời.4: Sơ đỗ pim mặt trời nỗi với tải thuần trở có điện trở thay đối được.5: Dường đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải thuần trở có giả trị điện trê thay đối được - - 19 Hinh I6: Câu tạo chung mach BUCK .7: Các trạng thải của mạch - - - - 20 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình L1: Chiếc Solar Riser của Lary Mauro. -Š Hình L2: Máy bay Gossarer Penguin của Paul MeCready, 1980.3: Chiée Solar Challenger, 1981 - - - - 6 Hinh 1.4: Solar T eda Ginter Rochelt 7 Tình L5: Chiếc Sunsceker. 7 Hình L6: Chiếc Tearc 2 của giáo sư Rudol[ Voil-Nitselnnann, 1996.7: Chiée Solair TT của tiến sĩ Antonio Bubbica, 1998.

8 Hinh L8: Chiếc máy bay Solar-Imprdse.9: May bay SunriseT - - - 9 Hinh 1.10: May bay Sunrise TL 9 Hinh 1.11: May bay Solar Solitude - 10 Hình T12: Máy bay Solar Excel - - 10 Ilinh L 13: Tién si André NOTH va may bay SkySailor - - 10 Hình L 14: Pin đơn tỉnh thể silie mã nhóm K55 sử dụng, 14 Hinh ILL: Bộ điền khiến MPET trong hệ thống pin mặt trời. - 16 Hinh IL2: Sơ đồ trơng đương của pin mặt trời.3: Đường đặc tính làm việc của pin mặt trời.4: Sơ đỗ pim mặt trời nỗi với tải thuần trở có điện trở thay đối được.5: Dường đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải thuần trở có giả trị điện trê thay đối được - - 19 Hinh I6: Câu tạo chung mach BUCK .7: Các trạng thải của mạch - - - - 20 Hình IL.53: Kết quả thu được với độ rộng xung 50%.54: Kết qua thu được với độ rộng xung 75%. Seeeeesseeso SS Tình IL.55: Tin hiệu dòng điện do dược. SỐ Hình TLS6: Tím hiệu điện áp đo được.57: M6 hinh qua trinh do “thé” | .58: Mé hinh kết hợp của quả lrình đo “Hiố” với trạng Thái de lugng “hd” hiện tại.59: Mô bình quả trình ước lượng tông hợp giá trị đo và giá trị ước lượng “thể” - - 59 Tlinh IL.60: Két qua do cudng 46 déng, dign khi oó và không có loc kalman 62 Tlinh IL.61: Két qua do dign ap khi cé va khéng cé loc kalman.

- 62 Tinh IIL1: So 46 két néi thir nghiém tinh cé cuc trị của pin mặt trời. 63 Tỉnh IL2: Thí nghiệm kiếm tra đặc tỉnh công suất của pin mặt trời 63 Linh 1UL3: Dường đặc tỉnh công suất thực nghiệm. XeeeeererooÔ4 linh II.4: Đường đặc tỉnh công suât lý thuyết.5: Hiệu quá của mạch điểu phối năng lượng MPPT.6: Đỗ thị công suất theo thời gian cúa bồn lần thử nghiệm.67 Hình H7: Đỗ thị sự ảnh hướng cua dé roi tdi cong suất pin mật trời.Ó Hình HILB: Đỗ thị công suất pm mặt trời theo thời gian ở lần bay thứ thử 3. 70 Hình HLL9: Bơ đỗ nguyên lý mạch MPPT2.à cceieieierrereeire T2 Hình HL10: Bản vẽ mạch MPP12 lớp trên và dười.L1: Hình ảnh 3D lớp trên và dưới mạch MPPT2.12: Han cách lĩnh kiện lớp trên và đưới rạch MPPT2.

73 LỚI CAM ĐOAN Téi — Bui Văn Thành, học viên cao học mã số CBC16009, cam kết luận văn nảy là công trình nghiên cứu của bân thân tôi dưới sự hưởng dẫn của TS. Định Tan lưng — Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và Dưới nước — Trường Dại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nều trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bỏ trong bất kỷ công trình nào khác, Tác giá luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cửu của mình Hà Nội ngày Hháng năm 2017 Tác giả Bùi Văn Thành Xe nhân của giáo viên hướng dẫu về mứ độ hoàn thành của luận văn thạc số và cho phép bảo Hà Nội ngày tháng năm 3017 Giãng viên hướng dẫn TS. Đình Tân Hưng, Hình IL§: Các ki hiệu trên mạch BƯCK.9: Cau tao bệ BOOST converter Hình H.10: Hai chế dộ của bộ BOOST conyerter phụ thuộc trạng thái khóa S.

Hình TL11 Pé thn che gid tri dong ap Wong mach BOOST Hình T13: Xung điều khiển Hình T13 Tổng trở vào Rim được điều chỉnh theo D Hình TL14: Phuong pháp điện áp hổ mạch inh 11.15: Phương pháp động ngắn mạch Hinh IL. 16: Thương pháp nhiễu đông và quan sát Hinh 11.17: Tam để thuật toán P&O' Hinh 11.18: Phuong phap điện dẫn gia lăng, Hình TL19: Tam: đô thuật toán INC Hình TL20: Sơ đồ khối mach MPPT Tlinh 11.21: IC ến áp 7805 và sa 46 chan kết nỗi Hinh1L22: Sơ đỗ nguyên lý khôi nguồn. HinhIL23: Một số linh kiện trong mạch BUCK- Hinh1L24: So dé nguyén ly mach BUCK Hinh 1.25: 1C ACS712 20A vaso dé chan két néi.26: So dé nguyên lý khối đo. dB THnh1L2?: Vị điêu khiến ATmega8 kiểu chân đán TỌI'P và sơ đồ chân kết nổi.28: Sơ đề nguyên lý khối vị xử lý.

THinh IL29: Căm biển EI11750 (bên trải) va cam biển LM35 (bên phải) Hình 1L30: Module RE H14-TLL106 và anten. TOM TAT NOI DUNG LUẬN VĂN.ccoe H HH uàn 1 ABSTRACT OF THESIS. -2 LOI MO PAU, - - - - - 3 CHƯƠNGI: GIỚI THIỆUCHUNG - - 3 1. Tổng quan về mấy bay sử dựng răng lượng rrất trời 5 1.1 May bay có người lái ứng dựng răng lượng mặt trời 5 1.2 May bay khéng ngudi lai ứng dụng năng lượng mặt trời 9 1.

Nghiên cứu ứng dụng năng lượng :nặt trời trên UAV tại ĐH BKHN.1 Kết quả đạt được cửa các nhóm nghiên cứu trước.2 Pin mặt trời sử dụng trên tây bay của nhôm sinh viên 55 14 1.3 Tính cấp thiết và mục tiêu của để tài 15 CHƯƠNGI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KE, CHẺ TẠO MẠCH ĐIÊU PHỎI NĂNG LƯƠNG (MEPT). Giới thiệu clhung. cà reerriiirrirrrrerrrrarerre, TỔ 3. Đường đặc lính làm việc của pìn mặt trời - - 17 3.

Nguyên li dung hop tôi - 30 3.3 Cơ chế dụng hợp tải 35 2. Thuật toán bám điểm làm việc có công suất lớn nhật QMTPT) 27 2.1 Phuong phap dign ap hd mach (Open Cireuit Voltage Method) 37 2.2 Phương đông ngắn mạch (Short Cirenit Current Method).3 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O.4 Phương pháp diện dẫn gia tăng TNC. Thiết kể, chẻ tạo, thử nghiệm mạch MPPT cho 8olar UAV.1 Thiết kế mạch MIPPT 3 3.3 Chế tạo mạch 45 3.4 Hoàn thiện code cho vị diều khiển 30 3.5 Xây dựng phần mềm nhận dữ liệu 50 3.6 Thứ nghiệm và hiệu chính mạch MIPPT 3.7 Sử đụng loc Kalman xử lí tín hiệu câm biến CHƯƠNGII: THỨ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ 63 3. Thử nghiệm tĩnh tại mặt đất 63 3.1 Kiểm tra tính cỏ cực trị của pin mặt lrời 63 3.2 Kiểm tra hiệu quả của mạch MPPT .3 Thứ nghiệm toàn bộ hệ thông điện trên mặt đất 3.

Thử nghiệm bay thực tế với mạch MPPT 3. Phát triển mạch MPPT giai đoạn 2 3.1 Phân tích nguyên nhân. con ninh eeiee 3.