Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ thống điều hướng tự động tấm pin năng lượng mặt trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ thống điều hướng tự động tấm pin năng lượng mặt trời, ứng dụng công nghệ hiện đại.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

đồ án tốt nghiệp

2023

108
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1. Giới thiệu đề tài

1.2. Lí do chọn đề tài

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4. Mục tiêu của đề tài

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời

2.1.1. Cấu tạo của Tấm pin năng lượng mặt trời

2.1.2. Nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời

2.2. Tìm hiểu về Động cơ bước

2.2.1. Động cơ bước là gì?

2.2.2. Cấu tạo động cơ bước

2.2.3. Phân loại động cơ bước

2.2.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

2.2.5. Các phương pháp điều khiển động cơ bước

2.2.6. Ưu – nhược điểm của động cơ bước

2.2.7. Ứng dụng của động cơ bước

2.3. Hệ thống truyền động cơ khí

2.3.1. Cơ cấu truyền động bánh răng côn

2.3.2. Cơ cấu truyền động đai

2.4. Ngôn ngữ lập trình C

2.4.1. Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C

2.4.2. Cấu trúc chương trình C

2.4.3. Đặc điểm của ngôn ngữ C

2.4.4. Ưu – nhược điểm của ngôn ngữ C

2.5. Ngôn ngữ lập trình C#

2.5.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình C#

2.5.2. Đặc trưng của C#

2.5.3. Biến, hằng, toán tử trong C#

2.5.4. Một số thao tác khi lập trình C#

2.5.5. Kiểu dữ liệu

2.5.6. Cấu trúc điều khiển

2.5.7. Cấu trúc lặp

2.5.8. Sử dụng môi trường lập trình Visual Studio xây dựng Windows Forms Application

2.6. Phương thức điều khiển sử dụng trong hệ thống

2.6.1. Mạch điều khiển Arduino Uno

2.6.2. Drive điều khiển động cơ bước A4988

2.6.3. Mạch CNC Shield V3

2.6.4. Thư viện điều khiển động cơ bước Accelstepper

2.6.5. Truyền thông giữa máy tính và mạch điều khiển Arduino UNO

3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ

3.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho tải thật

3.1.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục Y

3.1.2. Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục X

3.2. Tính toán phần cơ khí cho mô hình

3.2.1. Tính toán và lựa chọn chiều dài dây đai cho bộ truyền trục X

3.2.2. Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng

3.2.3. Tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng côn

3.3. Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks

3.3.1. Tổng thể hệ thống

3.3.2. Cụm truyền động trục X

3.3.3. Cụm truyền động trục Y

3.4. Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển

3.4.1. Lập trình điều khiển động cơ bước

3.4.2. Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển

4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

4.1. Mô hình thực tế sau khi hoàn thiện

4.2. Giao diện điều khiển

4.2.1. Đánh giá kết quả thực hiện

4.2.2. Hướng phát triển

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu luận văn thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ với chủ đề 'Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều hướng tự động pin mặt trời' được thực hiện bởi sinh viên Châu Thiên Phong dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Thanh Tùng. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời thông qua việc thiết kế và mô phỏng một hệ thống điều hướng tự động cho các tấm pin mặt trời. Mục tiêu chính là khai thác tối đa năng lượng mặt trời bằng cách điều chỉnh hướng của tấm pin theo chuyển động của mặt trời.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với khủng hoảng năng lượngbiến đổi khí hậu. Việc sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng chính. Tuy nhiên, hiệu suất của các hệ thống năng lượng mặt trời hiện tại chưa được tối ưu do các tấm pin thường được lắp cố định hoặc chỉ xoay theo một trục.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế một hệ thống điều hướng tự động cho các tấm pin mặt trời, giúp chúng có thể xoay theo cả hai trục để luôn hướng về phía mặt trời. Điều này nhằm tăng hiệu suất thu năng lượng và giảm thiểu lãng phí tài nguyên.

II. Thiết kế hệ thống

Phần này tập trung vào việc thiết kế hệ thống điều hướng tự động cho các tấm pin mặt trời. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như động cơ bước, bộ truyền động cơ khí, và mạch điều khiển Arduino Uno. Các thành phần này được thiết kế để đảm bảo hệ thống có thể xoay theo cả hai trục (trục X và trục Y) để theo dõi chuyển động của mặt trời.

2.1. Thiết kế cơ khí

Hệ thống được thiết kế với cơ cấu truyền động bánh răng cônbộ truyền động đai để đảm bảo độ chính xác và ổn định khi xoay các tấm pin. Các tính toán về lực và mô-men xoắn được thực hiện để lựa chọn động cơ phù hợp.

2.2. Thiết kế điện tử

Hệ thống sử dụng mạch điều khiển Arduino Uno kết hợp với driver A4988 để điều khiển động cơ bước. Các thư viện lập trình như AccelStepper được sử dụng để điều khiển chính xác các bước của động cơ.

III. Mô phỏng hệ thống

Phần này trình bày quá trình mô phỏng hệ thống trên phần mềm SolidWorks. Mô hình 3D của hệ thống được thiết kế để kiểm tra tính khả thi và độ chính xác của các chuyển động. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể hoạt động ổn định và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật.

3.1. Mô phỏng chuyển động

Hệ thống được mô phỏng để xoay theo cả hai trục, đảm bảo các tấm pin luôn hướng về phía mặt trời. Các thông số như góc xoay và tốc độ được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất.

3.2. Đánh giá kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể đạt được độ chính xác cao trong việc điều hướng các tấm pin. Các lỗi sai lệch được ghi nhận và điều chỉnh để cải thiện hiệu suất.

IV. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống năng lượng mặt trời quy mô lớn. Việc áp dụng hệ thống điều hướng tự động có thể giúp tăng hiệu suất thu năng lượng lên đến 30%, đồng thời giảm chi phí vận hành và bảo trì.

4.1. Lợi ích kinh tế

Việc tăng hiệu suất thu năng lượng sẽ giúp các nhà máy điện mặt trời tăng doanh thu và giảm thời gian hoàn vốn. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh giá năng lượng đang tăng cao.

4.2. Lợi ích môi trường

Hệ thống này góp phần giảm thiểu khí thải CO2 bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời, một nguồn năng lượng sạch và tái tạo.

13/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 Giới thiệu đề tài.2 Lí do chọn đề tài .3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .4 Mục tiêu của đề tài .1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời .1 Cấu tạo của Tấm pin năng lượng mặt trời .2 Nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời.2 Tìm hiểu về Động cơ bước .1 Động cơ bước là gì? .2 Cấu tạo động cơ bước .3 Phân loại động cơ bước .4 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước .5 Các phương pháp điều khiển động cơ bước .6 Ưu – nhược điểm của động cơ bước.7 Ứng dụng của động cơ bước .3 Hệ thống truyền động cơ khí .1 Cơ cấu truyền động bánh răng côn .2 Cơ cấu truyền động đai .4 Ngôn ngữ lập trình C .1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C .2 Cấu trúc chương trình C .3 Đặc điểm của ngôn ngữ C.4 Ưu – nhược điểm của ngôn ngữ C .5 Ngôn ngữ lập trình C# .1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình C# .2 Đặc trưng của C# .3 Biến, hằng, toán tử trong C# .4 Một số thao tác khi lập trình C# .5 Kiểu dữ liệu.6 Cấu trúc điều khiển .7 Cấu trúc lặp .8 Sử dụng môi trường lập trình Visual Studio xây dựng Windows Forms Application .6 Phương thức điều khiển sử dụng trong hệ thống .2 Mạch điều khiển Arduino Uno .3 Drive điều khiển động cơ bước A4988.4 Mạch CNC Shield V3 .5 Thư viện điều khiển động cơ bước Accelstepper .6 Truyền thông giữa máy tính và mạch điều khiển Arduino UNO:. TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ .1 Tính toán và lựa chọn động cơ cho tải thật.1 Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục Y .2 Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục X .2 Tính toán phần cơ khí cho mô hình .1 Tính toán và lựa chọn chiều dài dây đai cho bộ truyền trục X .2 Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng .3 Tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng côn .3 Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks .1 Tổng thể hệ thống .2 Cụm truyền động trục X .3 Cụm truyền động trục Y .4 Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển .1 Lập trình điều khiển động cơ bước .2 Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển. KẾT QUẢ THỰC HIỆN .1 Mô hình thực tế sau khi hoàn thiện.2 Giao diện điều khiển .1 Đánh giá kết quả thực hiện .2 Hướng phát triển.

89 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng mô tả các toán tử toán học trong C# .2 Bảng mô tả các toán tử quan hệ trong C# .3 Bảng mô tả các toán tử logic trong C# .4 Bảng mô tả các toán tử khởi tạo và gán trong C# .5 Một số kiểu dữ liệu dựng sẵn .6 Bảng mô tả một số thuộc tính của control .7 Bảng môt tả một số sự kiện hay dùng .8 Cách thiết lập độ phân giải cho động cơ bước .9 Một số câu lệnh cơ bản trong thư viện Accelstepper. 51 DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biều đồ giá khí tự nhiên ở châu Âu từ 2005-2021 (nguồn Booberg) .2 Biểu đồ biến động nguồn dự trữ khí đốt của châu Âu năm 2021 so với 2020 và cùng kỳ trung bình 10 năm trước (nguồn Reuters) .3 Biểu đồ cơ cấu nguồn điện tháng 10/2022 ở Việt Nam (theo EVN) .4 Nhà máy Điện mặt trời Thuận Nam – Trung Nam ở Ninh Thuận .5 Các tấm pin lắp cố định.6 Các tấm pin được lắp trên giàn xoay một trục .7 Hướng chiếu của mặt trời khác nhau theo mùa .1 Cấu tạo của Tấm pin năng lượng mặt trời .2 Lớp màng EVA .3 Cấu tạo tế bào quang điện .4 Nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời .6 Cấu tạo động cơ bước .7 Động cơ bước đơn cực .8 Động cơ bước lưỡng cực .9 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước .10 Xung điều khiển dạng sóng.11 Xung điều khiển bước đủ .12 Xung điều khiển nữa bước .13 Bộ truyền bánh răng côn .14 Bánh răng côn thẳng .15 Bánh răng côn cong.16 Bộ truyền động đai .18 Đai hình thang .20 Các thông số hình học của bộ truyền đai .21 Cấu tạo bộ truyền đai răng .22 Sơ đồ khối mạch điều khiển dùng trong hệ thống .23 Mạch Arduino UNO.25 Phần mềm Arduino IDE.27 Sơ đồ đấu nối của mạch A4988 .28 Mạch CNC Shield V3 .29 Bố trí Arduino UNO - CNC sheild - A4988 .1 Pully GT2 20 răng, trục5mm .2 Tổng thể hệ thống 3D theo góc nhín 1.3 Tổng thể hệ thống 3D theo góc nhín 2.4 Cụm truyền động trục X.6 Bánh răng bị dẫn .7 Bộ truyền động đai răng .8 Cụm truyền động trục Y.10 Gá đỡ hai bên trục Y .12 Thiết kế giao diện điều khiển .1 Mô hình thực tế .2 Mô hình thực tế nhìn từ mặt trước .3 Mô hình thực tế nhìn từ mặt bên .4 Tấm pin ở vị trí Xmax - Ymax .5 Tấm pin ở vị trí Xmax - Ymin .6 Tấm pin ở vị trí Xmin - Ymax .7 Tấm pin ở vị trí Xmin - Ymin .8 Giao diện khi mới mở phần mềm .9 Giao diện điều khiển sau khi nhấn Reset .10 Giao diện điều khiển ở chế độ Manual .11 Giao diện điều khiển ở chế độ Auto. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài “Khủng hoảng năng lượng”, “Biến đổi khí hậu” là các cụm từ dạo gần đây chúng ta thường nghe đi nghe lại nhiều lần. Vậy nguyên nhân, hậu quả của những điều này là gì? Về việc khủng hoảng năng lượng, hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đang phải đối mặt với giá cả leo thang của các mặt hàng than đá, dầu khí.

Có thời điểm giá nhiên liệu khí tự nhiên tăng cao kỷ lục. Bỏ qua về mặt chính trị, nguyên nhân chính của vấn đề này là do nguồn dự trữ tự nhiên của các năng lượng hóa thạch ngày càng ít dần, ngày càng khan hiếm. Điều này kéo theo giá cả các mặt hàng xăng dầu, khí đốt tăng mạnh. Nguồn cung khan hiếm, khả năng cao là sản lượng điện sản xuất của các nhà máy nhiệt điện sẽ giảm mạnh.1 Biều đồ giá khí tự nhiên ở châu Âu từ 2005-2021 (nguồn Booberg) 1 Hình 1.2 Biểu đồ biến động nguồn dự trữ khí đốt của châu Âu năm 2021 so với 2020 và cùng kỳ trung bình 10 năm trước (nguồn Reuters) Ngoài việc khan hiếm nguồn năng lượng tự nhiên, chúng ta đang phải đối mặt với tình hình biến đổi khí hậu, sự nóng lên của trái đất… Khí hậu, thời tiết nhiều ở nhiều nơi đã bị ảnh hượng nặng nề, có nơi thường xảy tình trạng hạn hán kéo dài, mật độ số cơn bão trong năm ngày càng tăng, thời gian mùa mưa và mùa khô thay đổi liên tục.

Điều này làm cho lưu lượng nước trên các con sông không ổn định. Mà các con sông chính là nguồn cung cấp nước cho các nhà máy thủy điện, điều này dễ gây ra nguy cơ thiếu điện trên diện rộng. Bên cạnh đó, tình trạng ô nhiễm môi trường cũng đang được quan tâm sâu sắc. Nồng độ CO2 trong không khí càng tăng, bắt nguồn từ các phương tiện, các nhà máy, hoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người.

Nhiều quốc gia trên thế giới đã có nhiều chính sách, biện pháp để làm giảm tình trạng ô nhiễm môi trường. Để giải quyết các vấn đề này, nhiều nước đang bắt đầu tìm kiếm và khai thác nguồn năng lượng mới để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt. Trong đó, năng lượng sạch, năng lượng tái tạo đang là xu thế hiện nay. Các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo phải kể đến như là năng lượng gió, năng lượng 2 mặt trời.

Các nguồn năng lượng này góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường. Giúp giảm bớt lượng khí thải. Góp phần hình thành lối sống văn minh, phát triển bền vững của một đất nước. Thúc đẩy sự ổn định an ninh năng lượng của quốc gia.

Ở Việt Nam, vấn đề năng lượng cũng bị ảnh hưởng bởi cuộc khủng hoảng trên thế giới. Việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch đang được chú trọng, quan tâm. Nhiều nhà máy điện năng lượng mặt trời đã được đầu tư và phát triển, nhiều nhà máy đã đi vào hoạt động, từng bước đóng góp vào sản lượng điện sản xuất toàn hệ thống. Theo Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), trong tháng 10 năm 2022, Năng lượng tái tạo đạt 29.87 tỷ kWh (chiếm 13.2% tổng sản lượng điện toàn hệ thống), trong đó điện mặt trời đạt 22.3 Biểu đồ cơ cấu nguồn điện tháng 10/2022 ở Việt Nam (theo EVN) Vậy điện năng lượng mặt trời là gì? Như đúng tên gọi của nó, đây là nguồn điện được tạo ra từ quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, dựa trên hiệu ứng quang điện.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần chính: + Tấm pin năng lượng mặt trời (tấm pin quang điện) + Khung giá đỡ 3 + Hệ thống đo đếm và giám sát + Hệ thống lưa trữ điện năng + Hệ thống phân phối và hòa lưới điện. Một số nhà máy điện năng lượng mặt trời lớn ở Việt Nam phải kể đến như: Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Thuận Nam (450MW), Cụm nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng DT1 và DT2 (420MW), Nhà máy điện mặt trời Phú Mỹ (330MW)… và còn nhiều nhà máy khác đang vận hành, khai thác. Trong số đó, Ninh Thuận được coi là thủ phủ của điện năng lượng mặt trời. Theo tìm hiểu, ở đây có tổng số giờ nắng trung bình khoảng 2837.8 giờ/năm, cao nhất cả nước, đây là điều kiện lý tưởng tiềm năng rất lớn để phát triển điện mặt trời.

Theo Sở công thương tỉnh Ninh Thuận, hiện nay trên địa bàn tỉnh có 35 dự án điện mặt trời với tổng công suất lên đến 2412MW. Đến năm 2023, tỉnh Ninh Thuận đặt mục tiêu trở thành Trung tâm năng lượng, năng lượng tái tạo bền vững.4 Nhà máy Điện mặt trời Thuận Nam – Trung Nam ở Ninh Thuận Tiềm năng và lợi ích của năng lượng mặt trời mang lại là rất lớn. Tuy nhiên, để khai thác hiểu quả, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên này thì là cả một quá trình. Cần phải có thời gian nghiên cứu, đánh giá, đưa ra các giải pháp để có thể khai thác tối ưu nguồn năng lượng này.2 Lí do chọn đề tài Như đã thông tin, điện năng lượng mặt trời sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, vĩnh cửu, không lo bị cạn kiệt.

Đây là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, không gây ra khói bụi, khí thải độc hại khi vận hành.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận văn thạc sĩ "Thiết Kế Và Mô Phỏng Hệ Thống Điều Hướng Tự Động Pin Mặt Trời" tập trung vào việc phát triển một hệ thống điều hướng tự động cho pin mặt trời, nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng. Tài liệu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ điều hướng mà còn phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Độc giả sẽ tìm thấy những lợi ích thiết thực từ việc áp dụng công nghệ này, bao gồm việc tăng cường hiệu suất năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành.

Nếu bạn quan tâm đến các khía cạnh khác của năng lượng mặt trời và công nghệ liên quan, bạn có thể tham khảo thêm tài liệu Luận văn thạc sĩ hệ thống điện dự báo phụ tải tại công ty điện lực Hóc Môn có xét đến sự phát triển các nguồn quang điện mặt trời nối lưới, nơi nghiên cứu về việc dự báo nhu cầu năng lượng trong bối cảnh phát triển năng lượng mặt trời. Bên cạnh đó, tài liệu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu và giải pháp giảm thiểu tác động của việc tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các giải pháp kỹ thuật để tích hợp năng lượng mặt trời vào hệ thống điện hiện tại. Cuối cùng, bạn cũng có thể tìm hiểu về Luận văn thiết kế chế tạo mô hình bơm nước sử dụng pin năng lượng mặt trời, một ứng dụng thực tiễn của công nghệ năng lượng mặt trời trong việc cung cấp nước. Những tài liệu này sẽ mở rộng kiến thức của bạn về các ứng dụng và thách thức trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.