Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, dồi dào và có tiềm năng phát triển lớn trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Theo báo cáo của ngành, hiện nay các hệ thống điện mặt trời chỉ chiếm khoảng 0,5% nhu cầu điện toàn cầu và dự kiến sẽ tăng lên 16% vào năm 2040. Ở Việt Nam, đặc biệt tại các tỉnh miền Trung như Ninh Thuận, với số giờ nắng trung bình khoảng 2.800 giờ/năm và bức xạ mặt trời trên 230 kcal/cm²/năm, tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời rất lớn. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi quang-điện của các tấm pin mặt trời cố định còn hạn chế do góc tới của ánh sáng không luôn vuông góc với bề mặt pin.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống solar tracking tự động hai trục nhằm tối ưu hóa góc tới của ánh sáng mặt trời trên tấm pin, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Mục tiêu cụ thể là phát triển hệ thống điều khiển động cơ bước dựa trên vi điều khiển PIC18F4550, sử dụng cảm biến ánh sáng LDR để dò tìm vị trí mặt trời, áp dụng cho cả hệ thống cố định và di động (gắn trên xe năng lượng mặt trời). Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 6 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tăng khả năng nạp điện cho accu từ tấm pin có tracking cao hơn so với tấm pin cố định, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời trong các ứng dụng thực tế như xe năng lượng mặt trời và hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời: Pin mặt trời là thiết bị bán dẫn p-n chuyển đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Điện áp và dòng điện đầu ra phụ thuộc vào cường độ bức xạ và góc tới của ánh sáng.

  • Nguyên lý solar tracking: Hệ thống solar tracking giảm thiểu góc lệch giữa tia nắng và pháp tuyến tấm pin, giúp tăng công suất phát điện. Hệ thống được phân loại theo số trục (1 trục, 2 trục), phương pháp điều khiển (thuật toán cố định hoặc động dựa trên cảm biến ánh sáng).

  • Điều khiển động cơ bước: Sử dụng động cơ bước lưỡng cực với IC điều khiển L297, L298 để điều khiển chính xác vị trí tấm pin. Vi điều khiển PIC18F4550 xử lý tín hiệu từ cảm biến ánh sáng LDR và điện áp tấm pin để điều khiển động cơ.

  • Nguyên lý nạp điện accu: Mạch nạp accu từ tấm pin mặt trời được thiết kế để đảm bảo dòng và điện áp phù hợp, tránh quá tải và tăng hiệu suất nạp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu bức xạ mặt trời, điện áp và dòng điện từ tấm pin trong các điều kiện khác nhau tại TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt tại Quận 2, trong các ngày từ tháng 3 đến tháng 4 năm 2011.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống solar tracking 2 trục với tấm pin 10W, kích thước 30x40 cm, gắn trên khung xe kích thước 80x30x25 cm. Sử dụng cảm biến LDR để thu nhận ánh sáng, vi điều khiển PIC18F4550 xử lý tín hiệu, điều khiển động cơ bước qua IC L297, L298. Thực hiện đo đạc điện áp, dòng điện nạp accu trong các chế độ hoạt động tự động và thủ công.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thu thập tài liệu (8/2010-10/2010), thiết kế cơ khí (9/2010-12/2010), thiết kế mạch điều khiển (10/2010-02/2011), thi công và hoàn thiện mô hình (02/2011-03/2011), khảo sát thực nghiệm và viết luận văn (03/2011-04/2011).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được thiết kế nhỏ gọn với tấm pin 10W, phù hợp cho nghiên cứu thí điểm và ứng dụng trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng hiệu suất nạp điện với hệ tracking: Kết quả đo thực nghiệm cho thấy điện áp và dòng điện nạp accu từ tấm pin có hệ thống tracking cao hơn đáng kể so với tấm pin cố định. Ví dụ, vào ngày 31/03/2011, cường độ dòng điện nạp từ tấm pin có tracking đạt khoảng 2,3 mA, trong khi tấm pin cố định chỉ đạt khoảng 1,8 mA, tương đương tăng khoảng 28%.

  2. Khả năng điều khiển chính xác vị trí tấm pin: Hệ thống sử dụng cảm biến LDR và vi điều khiển PIC18F4550 đã điều khiển động cơ bước xoay tấm pin theo hai trục Đông-Tây và Bắc-Nam với độ chính xác cao, giới hạn góc xoay trục 1 là 65 độ và trục 2 là 360 độ, đảm bảo tấm pin luôn hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời.

  3. Ứng dụng linh hoạt cho hệ thống cố định và di động: Hệ thống tracking được thiết kế có thể gắn cố định hoặc trên xe năng lượng mặt trời di động. Mô hình xe chở hệ tracking có kích thước nhỏ gọn (80x30x25 cm), trọng lượng tổng thể khoảng 4 kg, thuận tiện cho việc di chuyển và khảo sát thực tế.

  4. So sánh với các hệ tracking khác: Kết quả nghiên cứu được so sánh với các hệ thống solar tracking đã công bố cho thấy tính khả thi và hiệu quả tương đương hoặc vượt trội, đặc biệt trong việc sử dụng động cơ bước lưỡng cực và vi điều khiển PIC18F4550.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng hiệu suất nạp điện là do hệ thống tracking giảm thiểu góc lệch giữa tia nắng và tấm pin, giúp tăng cường độ bức xạ chiếu trực tiếp lên bề mặt pin. Dữ liệu đo điện áp và dòng điện được trình bày qua các biểu đồ dòng điện và điện áp theo thời gian trong ngày, minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa tấm pin có tracking và không tracking.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng cảm biến quang trở đơn giản hoặc thuật toán điều khiển cố định, hệ thống này sử dụng cảm biến LDR kết hợp mạch ổn dòng và vi điều khiển cho phép điều khiển động cơ chính xác hơn, giảm sai số và tăng độ ổn định. Việc áp dụng động cơ bước lưỡng cực với IC điều khiển chuyên dụng cũng giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, tránh trượt cơ học khi không cấp điện.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời mà còn mở rộng khả năng ứng dụng cho các phương tiện giao thông năng lượng mặt trời, góp phần phát triển bền vững nguồn năng lượng sạch tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống tracking đa trục với kích thước lớn hơn: Mở rộng nghiên cứu thiết kế hệ thống tracking cho các tấm pin công suất lớn hơn, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp và dân dụng, nhằm tăng tổng công suất thu năng lượng mặt trời.

  2. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: Áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh như fuzzy logic hoặc mạng nơ-ron để nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng của hệ thống tracking trong điều kiện ánh sáng thay đổi phức tạp.

  3. Nâng cao độ bền và giảm trọng lượng hệ thống cơ khí: Sử dụng vật liệu composite hoặc hợp kim nhẹ để giảm trọng lượng tổng thể, tăng độ bền và khả năng vận hành ổn định trong môi trường ngoài trời.

  4. Ứng dụng hệ thống tracking cho xe năng lượng mặt trời thương mại: Hợp tác với các doanh nghiệp sản xuất xe điện để tích hợp hệ thống tracking, giúp tăng hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, kéo dài thời gian hoạt động và giảm chi phí vận hành.

  5. Thời gian thực hiện và chủ thể thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 2-3 năm tới bởi các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ năng lượng sạch tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống solar tracking, phương pháp điều khiển động cơ bước và xử lý tín hiệu cảm biến ánh sáng.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển thiết bị năng lượng mặt trời: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời và phát triển các giải pháp năng lượng sạch ứng dụng trong giao thông và công nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ tiềm năng và giải pháp công nghệ để thúc đẩy phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng quốc gia.

  4. Các nhà thiết kế và kỹ sư phát triển xe năng lượng mặt trời: Áp dụng hệ thống tracking tự động để tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng, nâng cao tính khả thi và hiệu quả vận hành của xe.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống solar tracking có thực sự tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng không?
    Có, theo kết quả thực nghiệm, hệ thống tracking giúp tăng dòng điện nạp lên khoảng 25-30% so với tấm pin cố định nhờ giảm góc lệch ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang-điện.

  2. Tại sao chọn động cơ bước lưỡng cực cho hệ thống?
    Động cơ bước lưỡng cực có khả năng điều khiển vị trí chính xác, cấu tạo đơn giản và hiệu suất cao. Kết hợp với IC L297, L298 giúp điều khiển dễ dàng và ổn định hơn so với động cơ DC hoặc servo.

  3. Cảm biến LDR có nhược điểm gì và cách khắc phục?
    LDR có sai số lớn và không đồng đều giữa các cảm biến. Luận văn đã cải tiến bằng mạch ổn dòng sử dụng transistor và biến trở hiệu chỉnh để cân bằng tín hiệu, giảm sai số điều khiển.

  4. Hệ thống có thể ứng dụng cho xe năng lượng mặt trời thương mại không?
    Có thể, hệ thống được thiết kế nhỏ gọn, có thể gắn trên xe di động để tối ưu hóa thu năng lượng mặt trời, giúp kéo dài thời gian hoạt động và giảm chi phí sạc điện.

  5. Thời gian và chi phí để triển khai hệ thống này trong thực tế là bao lâu?
    Với quy mô nhỏ và công nghệ hiện tại, việc thiết kế và lắp đặt hệ thống tracking có thể hoàn thành trong vòng 6 tháng đến 1 năm với chi phí hợp lý, tùy thuộc vào quy mô và vật liệu sử dụng.

Kết luận

  • Hệ thống solar tracking hai trục được thiết kế và chế tạo thành công, sử dụng động cơ bước lưỡng cực và vi điều khiển PIC18F4550, cho phép điều khiển chính xác vị trí tấm pin mặt trời.
  • Kết quả thực nghiệm chứng minh hiệu suất nạp điện cho accu từ tấm pin có tracking cao hơn khoảng 25-30% so với tấm pin cố định.
  • Hệ thống có thể ứng dụng linh hoạt cho cả thiết bị cố định và xe năng lượng mặt trời di động, mở rộng khả năng sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam.
  • Luận văn góp phần nâng cao hiểu biết về công nghệ solar tracking, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật và hướng phát triển trong tương lai.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô hệ thống, tối ưu thuật toán điều khiển và hợp tác với doanh nghiệp để ứng dụng thực tế, góp phần phát triển bền vững nguồn năng lượng sạch.

Hành động ngay hôm nay để thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam!