Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh thế kỷ XXI, sự tăng trưởng khoa học công nghệ đồng hành cùng tình trạng tiêu tốn nghiêm trọng các nguồn năng lượng hóa thạch không tái tạo như dầu mỏ và than đá. Theo số liệu của Liên Hợp Quốc được trích dẫn trong văn bản (tính đến tháng 5 năm 2008), nhân loại trong vòng một trăm năm qua đã khai thác và sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ toàn cầu, và dự báo trong 30 năm tiếp theo nhu cầu tiêu thụ năng lượng sẽ tăng gấp ba lần. Thực trạng này kéo theo các hệ lụy môi trường như hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và ô nhiễm. Do đó, việc nghiên cứu khai thác các nguồn năng lượng tái tạo sạch, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành yêu cầu cấp thiết đối với mọi quốc gia.

Tại các quốc gia phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản, công nghệ điện mặt trời đã được ứng dụng rộng rãi từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ thập niên 1970. Ngược lại, tại Việt Nam, việc tiếp cận nguồn năng lượng này trong giai đoạn thực hiện đề tài còn hạn chế, chủ yếu dừng ở các dự án tài trợ cho người nghèo do rào cản chi phí đầu tư ban đầu cao so với mức thu nhập bình quân. Xuất phát từ thực tiễn đào tạo kỹ thuật và nhu cầu tối ưu hóa hiệu suất thu nhận quang năng, đề tài "Thiết kế hệ thống bám cho modul pin năng lượng mặt trời" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm xây dựng mô hình cơ điện tử giúp tấm pin luôn duy trì vị trí vuông góc với bức xạ mặt trời.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát là thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống điều khiển bám hướng sáng tự động cho tấm pin quang điện nhằm đạt hiệu suất biến đổi năng lượng cực đại, đồng thời quản lý nạp năng lượng vào bộ tích trữ để cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng khuôn viên trường học.

Nhiệm vụ nghiên cứu được quy định cụ thể theo 12 nội dung văn bản:

  1. Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời.
  2. Thiết kế mạch điều khiển bám.
  3. Thiết kế mạch cấp nguồn cho hệ thống hoạt động.
  4. Tìm hiểu về bộ tích trữ điện.
  5. Tìm hiểu về các sự cố liên quan đến pin mặt trời, bộ tích trữ điện.
  6. Tính toán, thiết kế bộ nghịch lưu để sử dụng nguồn điện tích trữ được với các thiết bị điện xoay chiều.
  7. Tính toán, thiết kế mô hình chiếu sáng tiết kiệm điện cho đường vào 2 khu C, D.
  8. Lắp ráp hoàn thành mô hình.
  9. Điều khiển thử nghiệm hệ thống.
  10. Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, thiết kế.
  11. Viết báo cáo luận văn.
  12. Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Module pin mặt trời (mã hiệu AD12-18-P), cơ cấu cơ khí bám hướng sáng, hệ thống vi điều khiển PIC16F877A, động cơ bước 6 dây, bộ tích trữ ắc quy Chì/Acid, mạch sạc điều phối năng lượng và mạch nghịch lưu áp DC-AC.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu, thiết kế phần cứng và thử nghiệm mô hình thực tế phục vụ chiếu sáng đường nội bộ dẫn vào khu C và khu D của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 10/10/2015, hoàn thành thực nghiệm ngày 23/01/2016 và nghiệm thu báo cáo vào tháng 02/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng các cơ sở lý thuyết vật lý, quang điện tử, kỹ thuật vi điều khiển và điện hóa học chuyên ngành:

  • Cơ sở vật lý bức xạ mặt trời: Mặt trời được khảo sát dưới dạng quả cầu khí cách Trái Đất $1,495 \times 10^8\text{ km}$, góc mở nhìn từ Trái Đất là $31'59''$, bán kính $R = 1,4 \times 10^6\text{ km}$ (gấp 109 lần đường kính Trái Đất), thể tích lớn hơn Trái Đất 130 vạn lần, khối lượng $1,989 \times 10^{27}\text{ tấn}$ (gấp 33 vạn lần Trái Đất). Mật độ trung bình $1,4\text{ g/cm}^3$, phần lõi đạt $160\text{ g/cm}^3$ dưới áp suất hơn 340 tỷ atm. Thành phần vật chất gồm 78,4% Hydro ($H_2$), 19,8% Heli ($He$), 1,8% nguyên tố khác. Năng lượng phát ra mỗi giây là $3,865 \times 10^{26}\text{ J}$ (tương đương đốt cháy $1,32 \times 10^{16}\text{ tấn}$ than tiêu chuẩn), bề mặt Trái Đất nhận khoảng $17,57 \times 10^{16}\text{ W}$. Bên ngoài khí quyển (bề dày khí quyển $H \approx 7991\text{ km}$), hằng số bức xạ mặt trời đạt $1353\text{ W/m}^2$. Quang năng tới mặt đất phân thành hai thành phần: bức xạ trực tiếp (trực xạ) và bức xạ khuếch tán (tán xạ).
  • Nguyên lý chuyển đổi quang điện và pin mặt trời: Cơ chế dựa trên hiện tượng quang điện trong tại tiếp xúc $p-n$ của vật liệu bán dẫn Silicon ($Si$) hóa trị 4 pha tạp Donor (Photpho hóa trị 5) tạo bán dẫn loại $n$ và Acceptor (Bo hóa trị 3) tạo bán dẫn loại $p$. Dưới tác dụng của photon ánh sáng có năng lượng $h\nu \ge E_g = E_c - E_v$, các cặp điện tử - lỗ trống ($e^- - h^+$) hình thành và bị tách ra bởi điện trường tiếp xúc $E_{TX}$, tạo nên suất điện động quang điện. Bước sóng giới hạn xác định theo công thức $\lambda_C = \frac{hc}{E_g} = \frac{1,24}{E_g}\text{ } (\mu\text{m})$. Tế bào quang điện Silicon khi chiếu sáng có điện áp hở mạch $V_{OC} \approx 0,55\text{ V}$, dòng đoản mạch $I_{SC} \approx 30\text{ mA/cm}^2$ ở cường độ bức xạ $1000\text{ W/m}^2$. Phương trình dòng điện theo định luật Kirchhoff I: $I = I_{\phi} - I_D - I_{sh}$.
  • Cấu hình hệ thống điện mặt trời độc lập: Hệ thống bao gồm dàn pin mặt trời (chiếm khoảng 60% chi phí đầu tư), bộ tích trữ năng lượng (ắc quy), bộ điều phối năng lượng bảo vệ nạp/phóng (Balance of System - BOS), bộ nghịch lưu điện áp (Inverter) biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều, cùng hệ thống phụ tải AC và DC.
  • Cơ sở hóa điện của bộ tích trữ: Đề tài sử dụng ắc quy Chì/Acid với cực dương $PbO_2$, cực âm chì xốp $Pb$, dung dịch điện phân axit sunfuric $H_2SO_4$. Phương trình hóa học phóng và nạp điện: $$PbO_2 + Pb + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O$$
  • Lý thuyết vi điều khiển và phần mềm nhúng: Vi điều khiển 8-bit PIC16F877A (Microchip) với tập lệnh 35 lệnh 14-bit, tần số dao động 20 MHz, chu kỳ lệnh 200 ns, bộ nhớ Flash chương trình 8K word, bộ nhớ RAM 368 byte, EEPROM 256 byte, tích hợp các bộ định thời Timer0, Timer1, Timer2, bộ biến đổi ADC 10-bit và khối so sánh Comparator. Phần mềm điều khiển được biên dịch bằng trình biên dịch CCS C (phiên bản PCWH Compiler ver 3) thông qua công cụ cấu hình PIC Wizard.
  • Lý thuyết động cơ bước: Sử dụng động cơ bước unipolar 6 dây gồm 4 dây cuộn pha và 2 dây cấp nguồn chung. Động cơ có bước quay $5,625^\circ$ tương ứng 64 bước cho một vòng quay hoàn chỉnh $360^\circ$, điều khiển logic tích cực mức thấp (đặt 0 V sinh dòng kích từ cuộn dây, 5 V ngắt dòng).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu quang điện, vật lý bán dẫn, kỹ thuật vi điều khiển và datasheet linh kiện.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán thông số mạch sạc ắc quy tự ngắt, thiết kế bộ nghịch lưu áp DC-AC, thiết kế mạch giao tiếp PIC16F877A và mạch lái công suất động cơ bước.
  • Phương pháp mô hình hóa và lập trình: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển bám ánh sáng mặt trời, lập trình ngôn ngữ C trên phần mềm CCS.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế layout mạch in (PCB), gia công ăn mòn, lắp ráp hàn gắn linh kiện, liên kết cơ khí và kiểm thử vận hành hệ thống.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Dữ liệu bức xạ và quang phổ chuẩn quốc tế.
  • Bảng thông số kỹ thuật tấm pin mặt trời AD12-18-P.
  • Datasheet kỹ thuật vi điều khiển PIC16F877A của hãng Microchip.

Bảng tổng hợp đặc tính phân bố quang phổ bức xạ mặt trời theo số liệu trong văn bản:

Dải bức xạ Bước sóng ($\lambda$) Mật độ năng lượng ($W/m^2$) Tỷ lệ (%)
Tia vũ trụ $< 0,1\text{ nm}$ $6,978 \times 10^{-7}$ 0,70
Tia tử ngoại C $0,2 \div 0,28\text{ nm}$ $7,864 \times 10^{6}$ 1,55
Tia tử ngoại B $0,28 \div 0,32\text{ nm}$ $2,122 \times 10^{1}$ 5,90
Tia tử ngoại A $0,32 \div 0,4\text{ nm}$ $8,073 \times 10^{1}$ —
Tia nhìn thấy $0,4 \div 0,52\text{ nm}$ $2,240 \times 10^{2}$ 30,18
Tia hồng ngoại $1,4 \div 3,00\text{ nm}$ $1,836 \times 10^{1}$ 1,93
Sóng vô tuyến $0,1\text{ cm} \div 20\text{ m}$ Không đáng kể —

Bảng bước sóng quang phổ vùng ánh sáng nhìn thấy theo ghi nhận của tác giả:

Màu sắc ánh sáng Bước sóng chuẩn ($\text{nm}$) Vùng bước sóng ($\text{nm}$)
Đỏ 700 $640 \div 760$
Cam 620 $600 \div 640$
Vàng (mắt người nhạy nhất) 580 $550 \div 600$
Xanh 510 $480 \div 550$
Lam 470 $450 \div 480$
Tím 420 $400 \div 450$

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống bám pin mặt trời độc lập được thiết kế theo cấu trúc module hóa phần cứng kết hợp chương trình điều khiển nhúng. Cấu trúc tổng thể bao gồm các phân hệ chức năng:

  1. Phân hệ thu nhận quang năng và cơ cấu chấp hành: Sử dụng module pin mặt trời AD12-18-P đặt trên khung cơ khí quay được dẫn động bởi động cơ bước 6 dây. Động cơ bước nhận xung kích từ mạch công suất lái động cơ, thực hiện các bước dịch chuyển góc $5,625^\circ$ nhằm xoay bề mặt tấm pin vuông góc liên tục với hướng bức xạ mặt trời.

  2. Phân hệ nguồn và điều khiển nạp ắc quy: Module nguồn tiếp nhận dòng điện DC từ tấm pin mặt trời để nạp cho bình ắc quy Chì/Acid. Mạch nạp được thiết kế cơ chế tự động điều tiết điện áp và dòng sạc:

    • Tự động đóng mạch sạc khi ắc quy cạn điện.
    • Tự động ngắt nạp khi điện áp ắc quy đạt ngưỡng no nhằm ngăn chặn sự tạo khí hydro ($H_2$) và oxy ($O_2$) gây sôi dung dịch, rụng chất hoạt hóa bề mặt cực chì, đoản mạch hoặc nổ bình.
    • Bảo vệ ắc quy không bị xả quá sâu gây sunfat hóa bản cực.

  3. Phân hệ vi điều khiển trung tâm và mạch lái công suất: Khối xử lý trung tâm là vi điều khiển PIC16F877A nhận tín hiệu từ cảm biến quang để phân tích chênh lệch cường độ ánh sáng, từ đó tính toán hướng xoay và phát xung kích qua các cổng xuất nhập (I/O ports). Tín hiệu điều khiển được đưa qua mạch khuếch đại công suất lái động cơ bước để điều khiển thứ tự đóng ngắt 4 cuộn pha theo mức logic thấp (0 V).

  4. Phân hệ nghịch lưu điện áp (Inverter): Mạch nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều (DC) từ ắc quy tích trữ thành điện áp xoay chiều (AC) cấp nguồn cho phụ tải chiếu sáng tại đường vào khu C và khu D. Mạch sử dụng biến áp xung và khóa bán dẫn công suất để tạo dạng sóng xoay chiều ngõ ra.

  5. Triển khai phần mềm điều khiển nhúng: Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C, biên dịch qua phần mềm CCS C Compiler. Cấu hình phần cứng trên PIC Wizard bao gồm thiết lập tần số dao động thạch anh 20 MHz (chế độ HS), vô hiệu hóa bộ định thời giám sát WDT, cấu hình các cổng I/O và khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC 10-bit với dải giá trị $0 \div 1023$). Giải thuật điều khiển đọc liên tục tín hiệu quang, so sánh ngưỡng sai số và phát chuỗi xung điều khiển động cơ quay thuận hoặc quay nghịch theo chu trình bước.

Bảng tổng hợp đặc tính kỹ thuật các khối phần cứng trong hệ thống:

Khối chức năng Phần cứng / Linh kiện chính Thông số kỹ thuật / Vai trò
Bộ thu quang năng Tấm pin AD12-18-P Biến đổi quang năng thành dòng điện một chiều
Bộ điều khiển trung tâm Vi điều khiển PIC16F877A 40 chân, 20 MHz, ROM 8Kx14 bit, RAM 368 byte, ADC 10-bit
Động cơ chấp hành Động cơ bước unipolar 6 dây Bước góc $5,625^\circ$ (64 bước/vòng), điều khiển tích cực mức 0 V
Bộ tích trữ năng lượng Ắc quy Chì/Acid ($PbO_2/Pb$) Dung dịch điện phân $H_2SO_4$, lưu trữ điện năng DC
Mạch quản lý sạc Mạch nạp tự động Tự ngắt khi nạp đầy, chống nạp no và cạn kiệt dung lượng
Mạch nghịch lưu Bộ biến đổi DC-AC Chuyển đổi DC từ ắc quy sang AC cấp cho đèn chiếu sáng
Môi trường lập trình CCS C Compiler (PCWH v3) Trình biên dịch C, thiết lập cấu hình qua PIC Wizard

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Dẫn nhập

Chương mở đầu phân tích bối cảnh phát triển khoa học công nghệ thế kỷ XXI gắn liền với nguy cơ cạn kiệt tài nguyên dầu mỏ, than đá và các hiểm họa môi trường do hiệu ứng nhà kính. Tác giả dẫn chứng số liệu Liên Hợp Quốc về việc 30% trữ lượng dầu mỏ đã bị tiêu thụ trong một thế kỷ qua và nhu cầu sẽ tăng gấp ba trong ba thập kỷ kế tiếp. Phân tích lịch sử ứng dụng năng lượng mặt trời từ thập niên 1940 trong ngành hàng không vũ trụ đến thập niên 1970 sau khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Tại Việt Nam, chi phí thiết bị ban đầu cao và thu nhập người dân hạn chế khiến điện mặt trời chưa phổ biến rộng. Chương 1 xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình bám hướng sáng tự động giúp tấm pin luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời nhằm thu năng lượng tối đa phục vụ chiếu sáng tiết kiệm điện cho đường vào khu C, D trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; đồng thời vạch ra 12 nhiệm vụ, giới hạn phạm vi nghiên cứu và bố cục 5 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các cơ sở khoa học chuyên sâu gồm 6 tiểu mục lớn:

  • Lý thuyết thiên văn và năng lượng mặt trời: Trình bày cấu tạo gồm quang cầu, sắc cầu, nhật miện ở bên ngoài; tầng đối lưu, tầng trung gian và vùng lõi ở bên trong. Cung cấp các thông số vật lý về khoảng cách, bán kính, khối lượng, áp suất hạt nhân, cơ chế phản ứng tổng hợp hydro-heli ($C-N$ và proton-proton), đặc tính phổ bức xạ sóng điện từ và phân bố năng lượng theo bước sóng.
  • Pin năng lượng mặt trời: Trình bày cơ chế lượng tử tạo cặp điện tử - lỗ trống theo mô hình hai vùng năng lượng (vùng hóa trị $E_v$, vùng dẫn $E_c$ và vùng cấm $E_g$), cấu trúc pha tạp Silicon, suất điện động quang điện, sơ đồ mạch tương đương, đặc tuyến Volt-Ampe và mô hình hệ thống điện mặt trời độc lập kèm thành phần BOS.
  • Vi điều khiển PIC16F877A: Mô tả chi tiết cấu trúc phần cứng vi điều khiển 40 chân, kiến trúc RISC 35 lệnh 14-bit, tổ chức bộ nhớ chương trình Flash (8K word chia 4 trang), bộ nhớ RAM (368 byte chia 4 bank gồm các thanh ghi SFR và GPR), bộ nhớ ngăn xếp Stack 8 mức xoay vòng, cấu tạo 5 cổng xuất nhập (PORTA đến PORTE), chức năng các bộ định thời Timer0 (8-bit), Timer1 (16-bit), Timer2 (8-bit), bộ chuyển đổi ADC 10-bit và khối so sánh Comparator.
  • Bộ tích trữ năng lượng (ắc quy): Phân tích phản ứng hóa học hai chiều của bình ắc quy Chì/Acid, các sự cố kỹ thuật thường gặp (nạp quá no, nạp chưa đủ, ăn mòn han gỉ đầu cọc và sự mất nước do điện phân tạo khí $H_2$ và $O_2$) cùng các giải pháp phòng tránh.
  • Phần mềm lập trình CCS: Giới thiệu trình biên dịch C tích hợp (PCB, PCM, PCH), các bước tạo project thông qua công cụ PIC Wizard, ý nghĩa 13 tab cấu hình phần cứng (General, Communications, SPI & LCD, Timer, Analog...).
  • Động cơ bước 6 dây: Phân tích cấu tạo động cơ bước unipolar gồm 4 dây pha và 2 dây nguồn chung, góc bước $5,625^\circ$, điều kiện đóng cắt dòng điện theo mức logic 0 V và 5 V, cùng phương pháp điều khiển đầy đủ bước (full-step).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết phương án thiết kế kỹ thuật từ ý tưởng đến sơ đồ nguyên lý phần cứng và giải thuật điều khiển:

  • Trình bày ý tưởng thiết kế hệ thống bám tự động tối ưu hóa góc tiếp nhận bức xạ và khảo sát các thiết bị hiện có (module pin AD12-18-P, ắc quy, động cơ bước).
  • Thiết lập sơ đồ khối hệ sinh thái nguồn độc lập gồm: Khối pin mặt trời, khối sạc điều phối ắc quy, khối ắc quy Chì/Acid, khối nghịch lưu điện áp DC-AC cung cấp cho tải xoay chiều, khối vi điều khiển PIC16F877A và khối công suất lái động cơ bước.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn cho toàn hệ thống và bộ điều khiển nạp bảo vệ ắc quy tự ngắt khi đầy điện.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu điện áp DC-AC biến đổi điện một chiều thành xoay chiều và khảo sát dạng sóng ngõ ra của biến áp nghịch lưu.
  • Thiết kế mạch vi điều khiển PIC16F877A thu nhận tín hiệu cảm biến và mạch công suất điều khiển động cơ bước 6 dây.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển chi tiết cho vi điều khiển điều phối chuyển động của động cơ bước bám theo quỹ đạo mặt trời.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 tổng hợp các kết quả thu được trong quá trình thực hiện đồ án trên cả hai phương diện:

  • Kết quả lý thuyết: Hoàn thiện tính toán lý thuyết quang điện, thiết lập thông số cho mạch sạc ắc quy, bộ nghịch lưu và thuật toán quét vị trí mặt trời.
  • Kết quả thực hành: Hoàn thành thiết kế mạch in (PCB layout) và gia công chế tạo thực tế 4 bo mạch phần cứng hoàn chỉnh gồm: (1) Bo mạch nguồn và mạch nạp ắc quy tự động; (2) Bo mạch nghịch lưu áp DC-AC; (3) Bo mạch vi điều khiển PIC16F877A; (4) Bo mạch công suất điều khiển động cơ bước. Lắp ráp tích hợp hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh, thử nghiệm điều khiển động cơ bước mang tải xoay tấm pin bám ánh sáng thành công.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ thiết kế mô hình hệ thống bám pin mặt trời, đồng thời đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật để hoàn thiện thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật cụ thể đã hoàn thành:

  • Về chế tạo phần cứng: Thiết kế layout mạch in và thi công hoàn chỉnh 4 cụm bo mạch chức năng hoạt động đồng bộ: mạch nguồn, mạch sạc ắc quy tự động ngắt, mạch nghịch lưu điện áp DC-AC và mạch vi điều khiển PIC16F877A kết hợp mạch lái động cơ bước 6 dây.
  • Về điều khiển cơ điện tử: Tích hợp thành công động cơ bước bước góc $5,625^\circ$ với cơ cấu khung đỡ tấm pin AD12-18-P, thực thi giải thuật bám quang giúp bề mặt tấm pin chuyển động đón bức xạ vuông góc.
  • Về lưu trữ và chuyển đổi điện năng: Xây dựng thành công cơ chế sạc bảo vệ ắc quy Chì/Acid tự ngắt khi đầy nhằm hạn chế hư hỏng do nạp quá no, đồng thời chuyển đổi điện áp tích trữ sang điện xoay chiều AC thông qua mạch nghịch lưu để cấp nguồn chiếu sáng.

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất:

  • Ứng dụng giải pháp điều khiển bám hướng sáng tự động nhằm giải quyết triệt để sự suy giảm hiệu suất của các hệ thống pin mặt trời lắp đặt cố định.
  • Tích hợp bộ điều phối năng lượng BOS tự động ngắt nạp để tăng tuổi thọ bình ắc quy và loại trừ nguy cơ cháy nổ do thoát khí điện phân.
  • Đề xuất ứng dụng mô hình nguồn điện độc lập tự thu gom và tích trữ năng lượng này để phục vụ hệ thống đèn đường chiếu sáng tiết kiệm điện tại khuôn viên khu C và khu D Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Đóng góp so với nghiên cứu trước:

  • Tác giả tự đánh giá đây là hướng đề tài mới mẻ trong chương trình thực hành kỹ thuật tại thời điểm thực hiện ở Việt Nam, giúp sinh viên tiếp cận trực tiếp quy trình chế tạo hoàn chỉnh từ cơ khí, mạch điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển đến nguồn năng lượng tái tạo với chi phí chế tạo phù hợp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả tự xác định:

  • Năng lực chuyên môn của nhóm sinh viên còn hạn chế và nguồn tài liệu chuyên sâu phục vụ nghiên cứu còn thiếu sót.
  • Mô hình chế tạo dừng lại ở quy mô thử nghiệm phòng thí nghiệm, cơ cấu chuyển động cơ khí đơn trục và mạch nghịch lưu áp tạo dạng sóng bước đầu chưa đạt mức tối ưu cho các phụ tải công nghiệp phức tạp.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất trong văn bản (Mục 5.2):

  • Nghiên cứu nâng cấp hệ thống bám từ 1 trục sang hệ thống bám 2 trục (dual-axis tracking) để tối ưu hóa góc đón nắng theo cả phương vị và góc phương cao trong mọi mùa trong năm.
  • Cải tiến mạch nghịch lưu áp DC-AC để nâng cao công suất ngõ ra và hiệu chỉnh dạng sóng đạt chuẩn sóng sin chuẩn (pure sine wave).
  • Nghiên cứu ứng dụng thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) kết hợp cảm biến môi trường để nâng cao hiệu suất nạp ắc quy.
  • Hoàn thiện mô hình cơ khí vững chắc, chống chịu thời tiết để triển khai lắp đặt thực tế cho toàn bộ tuyến đường nội bộ khu C và khu D của nhà trường.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Năng lượng tái tạo và Kỹ thuật Cơ điện tử:

  • Phần thiết kế phần cứng cung cấp sơ đồ nguyên lý và layout mạch in hoàn chỉnh cho mạch sạc ắc quy tự ngắt và mạch công suất lái động cơ bước, có thể tái sử dụng trực tiếp cho các dự án cơ điện tử và nguồn xung.
  • Phần lập trình cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp cấu hình vi điều khiển PIC16F877A qua công cụ PIC Wizard trên trình biên dịch CCS C Compiler, đặc biệt là cách sử dụng bộ biến đổi ADC và các bộ định thời Timer.
  • Hệ thống cơ sở lý thuyết về tính toán quang phổ bức xạ mặt trời, đặc tính vật lý bán dẫn của tế bào quang điện và các phản ứng điện hóa bình ắc quy Chì/Acid đóng vai trò tài liệu tổng quan hữu ích cho các nghiên cứu tiếp nối về hệ thống điện mặt trời độc lập.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống bám trong đồ án sử dụng vi điều khiển nào và có cấu hình phần cứng ra sao?

Hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC16F877A (hãng Microchip) với tần số thạch anh 20 MHz, chu kỳ lệnh 200 ns, bộ nhớ Flash chương trình 8K word (14-bit), bộ nhớ RAM 368 byte chia 4 bank, bộ nhớ EEPROM 256 byte, 3 bộ định thời (Timer0, Timer1, Timer2), 5 cổng I/O (33 chân) và bộ chuyển đổi ADC 10-bit lấy mẫu tương tự từ cảm biến.

2. Động cơ bước được chọn trong cơ cấu bám có thông số và nguyên lý kích từ như thế nào?

Đồ án sử dụng động cơ bước unipolar 6 dây (4 dây pha và 2 dây cấp nguồn chung). Mỗi bước quay của động cơ là $5,625^\circ$, tương ứng 64 bước để hoàn thành một vòng quay $360^\circ$. Động cơ được kích từ theo mức logic thấp: cấp 0 V để dòng chạy qua cuộn dây pha tương ứng và cấp 5 V để ngắt dòng.

3. Tác giả đã giải quyết các nguy cơ sự cố của bình ắc quy Chì/Acid bằng biện pháp nào?

Tác giả thiết kế mạch điều khiển nạp tự động có khả năng nhận biết ngưỡng điện áp ắc quy. Khi ắc quy nạp đầy, mạch tự động ngắt dòng nạp nhằm ngăn chặn hiện tượng nạp quá no – nguyên nhân gây sôi dung dịch, giải phóng khí $H_2$ và $O_2$, rụng chất hoạt hóa ở các bản cực chì dẫn đến đoản mạch hoặc cháy nổ; đồng thời ngăn ngừa hiện tượng nạp thiếu gây sunfat hóa và cong vênh bản cực.

4. Mục tiêu ứng dụng cụ thể của nguồn điện thu được từ hệ thống là gì?

Điện năng một chiều (DC) từ tấm pin sau khi tích trữ vào ắc quy được chuyển đổi qua bộ nghịch lưu áp thành điện xoay chiều (AC), phục vụ mục đích chiếu sáng tiết kiệm điện cho tuyến đường đi vào hai khu C và D tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

5. Dạng sóng ngõ ra của bộ nghịch lưu áp DC-AC trong đồ án được khảo sát như thế nào?

Dạng sóng ngõ ra được khảo sát thông qua biến áp nghịch lưu của bộ nghịch lưu áp, được nhóm tác giả ghi nhận và phân tích trong sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng thuộc Chương 3 nhằm đánh giá khả năng cấp nguồn cho tải điện xoay chiều.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống bám cho modul pin năng lượng mặt trời" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công mô hình hệ thống quang điện độc lập bám theo hướng sáng mặt trời. Nhóm tác giả đã chế tạo thành công các module phần cứng gồm khối vi điều khiển PIC16F877A, khối lái động cơ bước 6 dây, khối nạp bảo vệ ắc quy Chì/Acid tự ngắt và khối nghịch lưu áp DC-AC. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật thực nghiệm khả thi nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu nhận năng lượng mặt trời, đặt nền tảng cho việc ứng dụng các hệ thống chiếu sáng tiết kiệm điện độc lập trong khuôn viên trường đại học.