Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên sơ khai và dồi dào, cung cấp cho Trái Đất khoảng 99,98% tổng năng lượng tiếp nhận; trong đó 47% chuyển hóa thành nhiệt lượng hấp thụ vào bề mặt đất và đại dương, 30% phản xạ ngược vào không gian vũ trụ, 23% phục vụ vòng tuần hoàn nước và phần nhỏ còn lại tạo nên gió, sóng biển cùng sinh khối quang hợp. Trước sự cạn kiệt nhanh chóng của nhiên liệu hóa thạch và nhu cầu bảo đảm an ninh năng lượng, điện mặt trời đã trở thành định hướng phát triển tất yếu trên phạm vi toàn cầu. Cường độ bức xạ mặt trời tại đỉnh khí quyển đạt khoảng 1.367 W/m², song khi truyền qua bầu khí quyển bị hấp thụ và tán xạ, chỉ còn lại khoảng 78% đối với các tia trực xạ chiếu thẳng xuống mặt đất, tương đương mức cường độ bức xạ tiêu chuẩn 1.000 W/m².

Nhằm tối ưu hóa khả năng thu nhận bức xạ của các tấm pin quang điện (photovoltaic - PV), công nghệ hệ thống theo dõi vị trí mặt trời (solar tracking) đã được nghiên cứu rộng rãi. Các công bố quốc tế ghi nhận: nghiên cứu của Shahriar và cộng sự tại Iran chứng minh tracker 1 trục (Single axis tracker) tăng 35% hiệu suất so với hệ thống cố định, trong khi tracker 2 trục đạt mức tăng 41%; nghiên cứu của Mustafa Engin chỉ ra tracker 2 trục làm tăng 40,7% hiệu suất với chi phí đầu tư cơ cấu chỉ tăng khoảng 21,1%; bình diện chung các hệ thống điều hướng giúp gia tăng sản lượng điện từ 20% đến 40%. Mặt khác, việc sản xuất tấm pin mặt trời phát thải nhiều hóa chất độc hại như hợp chất chứa Flo, Crom vào nguồn nước, cùng khí Hydro Florua (HF), Silic Tetraflorua (SiF₄) có tính ăn mòn cao; trong khi công nghệ tái chế pin hết hạn sử dụng (với vòng đời khoảng 20 năm) hiện rất đắt đỏ và chưa phổ biến tại các nước đang phát triển. Việc nâng cao hiệu suất phát điện trên từng tấm pin thông qua hệ thống tracker là giải pháp giúp giảm thiểu số lượng pin cần sản xuất và giảm áp lực rác thải ra môi trường.

Tại Việt Nam, phần lớn các doanh nghiệp còn e ngại đầu tư cơ cấu điều hướng do quan ngại về tính kinh tế, chi phí bảo trì so với các trang trại điện pin cố định. Tính đến thời điểm nghiên cứu, mô hình trang trại thương mại quy mô lớn duy nhất ứng dụng hệ thống tracker là Nhà máy điện mặt trời Hồng Phong 4 (Tập đoàn Hà Đô), sử dụng cơ cấu tracker 1 trục xoay đồng bộ (Chronological tracker) với bước xoay 15°/giờ, đạt sản lượng phát điện thực tế trên 92 triệu kWh/năm liên tục trong hai năm vận hành. Xuất phát từ bối cảnh đó, khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh tập trung nghiên cứu, chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống điều hướng pin mặt trời 2 trục sử dụng phương pháp tính toán thiên văn nhằm cung cấp dữ liệu kiểm chứng độc lập.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tính toán và xây dựng cơ sở dữ liệu số về tọa độ vị trí mặt trời theo thời gian thực tại thành phố Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh (tọa độ tham chiếu: 10°49′36″B, 106°45′39″Đ).
  2. Thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí truyền động 2 bậc tự do cho tracker, sử dụng 2 động cơ bước cho phép góc phương vị quét 360° và góc cao độ quét từ 90° đến tối đa 180°.
  3. Xây dựng giải thuật điều khiển và lập trình hệ thống nhúng trên vi điều khiển Arduino Mega 2560, tích hợp hai chế độ vận hành (tự động theo dữ liệu thời gian thực từ thẻ nhớ Micro SD/module RTC DS1302 và chế độ điều khiển thủ công bằng tay), trang bị cơ chế dừng an toàn khi gặp sự cố kỹ thuật.
  4. Tích hợp mạch đo đạc PZEM-017 để thu thập, giám sát thông số dòng điện, điện áp, công suất phát điện và lưu trữ vào thẻ nhớ; từ đó đánh giá mức chênh lệch hiệu suất giữa tấm pin gắn tracker 2 trục và tấm pin đặt cố định theo phương ngang.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống điều hướng pin mặt trời 2 trục (góc cao độ và góc phương vị), thuật toán điều khiển bám nhật trình thiên văn và mô-đun pin quang điện công suất nhỏ (12W, 6V).
  • Phạm vi không gian: Thí nghiệm thực địa được tiến hành tại địa bàn thành phố Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Khung giờ vận hành điều hướng của mô hình được thiết lập cố định từ 6h00 đến 18h00 hàng ngày; các đợt đo đạc thực nghiệm thu thập số liệu được thực hiện vào các ngày 10/08/2022 và 11/08/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý thuyết dựa trên các công thức thiên văn học giải tích kết hợp lý thuyết tính toán chi tiết máy và truyền động cơ khí.

Khung lý thuyết thiên văn và công thức tính toán tọa độ mặt trời

Vị trí tương đối của Mặt Trời so với một điểm quan sát trên mặt đất được biểu diễn qua hai thông số cơ bản: góc cao độ ($\alpha$ - Elevation Angle) và góc phương vị ($Azimuth$ - Azimuth Angle). Tác giả ứng dụng hệ thống công thức giải tích rút gọn của Cooper (1969) với các đại lượng trung gian:

  • Kinh tuyến tham chiếu địa phương ($LSTM$): $$LSTM = 15^\circ \cdot \Delta T_{UTC}$$ (Với Việt Nam thuộc múi giờ GMT+7, $LSTM = 105^\circ$, kinh độ TP. Hồ Chí Minh lấy xấp xỉ $106,77^\circ\text{Đ}$).
  • Phương trình thời gian ($EoT$ - Equation of Time) hiệu chỉnh tốc độ tự quay không đều của Trái Đất trong năm qua biến đổi góc $B$: $$B = \frac{360^\circ}{365} \cdot (d - 81)$$ (với $d$ là số thứ tự của ngày trong năm, từ 1 đến 365).
  • Hệ số hiệu chỉnh thời gian ($TC$): $$TC = 4 \cdot (Longitude - LSTM) + EoT$$
  • Giờ mặt trời địa phương ($LST$) và góc giờ ($HRA$): $$LST = LT + \frac{TC}{60}$$ $$HRA = 15^\circ \cdot (LST - 12)$$
  • Góc nghiêng quỹ đạo mặt trời ($\delta$ - Declination Angle): $$\delta = -23,45^\circ \cdot \cos\left(\frac{360^\circ}{365} \cdot (d + 10)\right)$$
  • Góc cao độ ($\alpha$): $$\sin \alpha = \sin \delta \cdot \sin \varphi + \cos \delta \cdot \cos \varphi \cdot \cos(HRA)$$ (với $\varphi$ là vĩ độ của vị trí quan sát, xấp xỉ $10,85^\circ\text{B}$).
  • Góc phương vị ($Azimuth$): $$\cos(Azimuth) = \frac{\sin \delta \cdot \cos \varphi - \cos \delta \cdot \sin \varphi \cdot \cos(HRA)}{\cos \alpha}$$ (Khi $LST < 12$ hoặc $HRA < 0$, giá trị góc giữ nguyên; khi $LST > 12$, góc phương vị quy đổi bằng $360^\circ - Azimuth$).

Các đường biểu diễn quỹ đạo mặt trời được tổng hợp thành biểu đồ Sun-Path Diagram tại TP. Hồ Chí Minh và được nhóm đối chiếu với các công cụ trực tuyến SunCalc và 3Dsun-Path, bảo đảm độ sai lệch tính toán nằm trong ngưỡng $\pm 0,5^\circ$.

Phân bố tiềm năng bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Dữ liệu tổng hợp từ các báo cáo khí tượng trong văn bản xác lập tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời theo các vùng địa lý:

Vùng Giờ nắng trong năm (giờ) Cường độ bức xạ mặt trời (kWh/m²/ngày) Khả năng ứng dụng
Đông Bắc 1.750 3,3 – 4,1 Trung bình
Tây Bắc 1.800 4,1 – 4,9 Trung bình
Bắc Trung Bộ 1.000 4,6 – 5,2 Tốt
Tây Nguyên và Nam Trung Bộ 2.600 4,9 – 5,7 Rất tốt
Nam Bộ 2.500 4,3 – 4,9 Rất tốt
Trung bình cả nước 1.500 4,6 Tốt

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm kỹ thuật:

  1. Phương pháp phân tích - tính toán giải tích: Sử dụng hệ phương trình thiên văn tính toán góc định hướng theo từng phút cho 365 ngày trong năm, biên dịch thành bảng tra cứu lưu trữ trong thẻ Micro SD.
  2. Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí: Áp dụng công thức mô-men xoắn $T = 9,55 \cdot \frac{P}{n}$ và công thức mô-men quán tính cho vật thể hình chữ nhật có trục xuyên tâm $I = \frac{1}{12} \cdot m \cdot (a^2 + b^2)$ để tính chọn động cơ và kết cấu truyền động đai - bánh răng, ổ đỡ.
  3. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu thực nghiệm: Ghép nối cảm biến công suất chuyên dụng PZEM-017 giao tiếp Modbus/UART với Arduino Mega 2560 để đo đồng thời thông số của tấm pin trên tracker và tấm pin cố định đối chứng.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kết cấu phần cứng cơ khí

Mô hình cơ khí được thiết kế 2 bậc tự do độc lập nhằm điều chỉnh hướng tấm pin luôn vuông góc với bức xạ tới:

  • Cơ cấu góc cao độ: Tấm pin kích thước 280 $\times$ 350 mm gắn trên giá chữ U làm bằng sắt hộp hàn $20 \times 20$ mm. Trục ngang sử dụng thanh trục trơn $\varnothing 8$ mm dài 400 mm, đỡ bởi 2 gối đỡ trục ngang 8 mm, liên kết với động cơ bước thông qua khớp nối mềm (5 mm - 8 mm). Khung được tối giản để tránh phát sinh thêm mô-men quán tính cản trở chuyển động quay.
  • Cơ cấu góc phương vị và cụm chịu tải trục đứng: Do trục đứng phải chịu toàn bộ tải trọng tĩnh của khung trên, tấm pin và động cơ góc cao độ, việc đặt trực tiếp tải lên trục động cơ sẽ gây phá hỏng ổ lăn bên trong động cơ. Nhóm nghiên cứu thiết kế trục đứng dẫn động thông qua bộ truyền bánh răng - dây đai (bánh dẫn XL25 bước 5,08 mm, bánh bị dẫn XL40 bước 5,08 mm, dây đai 90 mm) và cụm 2 ổ bi đỡ chặn loại UCF 603 cố định bằng ren trên bản mã $40 \times 40$ cm. Kết cấu này giúp triệt tiêu tải trọng dọc trục tác động lên động cơ phương vị và giải quyết hiện tượng trượt bước do mô-men quán tính sinh ra khi động cơ quay nhanh vào thời điểm 12h trưa.

Danh mục vật tư cơ khí chính được tổng hợp chi tiết trong khóa luận:

STT Tên vật tư Số lượng Thông số kỹ thuật
1 Tấm pin mặt trời 02 Công suất 12W, điện áp 6V, kích thước $280 \times 350\text{ mm}$
2 Động cơ bước 02 Kích thước $42 \times 42 \times 32\text{ mm}$, trục $\varnothing 5\text{ mm}$, dòng DC 1,5A
3 Gối đỡ trục đứng 01 Cỡ $\varnothing 5\text{ mm}$
4 Gối đỡ trục ngang 02 Cỡ $\varnothing 8\text{ mm}$
5 Khớp nối mềm 01 Nối trục $5\text{ mm} - 8\text{ mm}$
6 Thanh trục trơn 01 Đường kính $\varnothing 8\text{ mm}$, chiều dài 400 mm
7 Sắt hộp 02 m Kích thước $20 \times 20\text{ mm}$
8 Khung giá đỡ động cơ V 01 Loại 42, kích thước $50 \times 52 \times 52\text{ mm}$
9 Khớp nối động cơ mặt bích 01 Trục $\varnothing 5\text{ mm}$
10 Bản mã đỡ đế 01 Kích thước $40 \times 40\text{ cm}$
11 Ổ bi đỡ chặn 02 Mã UCF 603
12 Bánh răng dẫn 01 Loại XL25 (25 răng), lỗ $\varnothing 6\text{ mm}$, bước răng 5,08 mm
13 Bánh răng bị dẫn 01 Loại XL40 (40 răng), lỗ $\varnothing 6\text{ mm}$, bước răng 5,08 mm
14 Dây đai truyền động 01 Chiều dài 90 mm

Hệ thống điều khiển và mạch điện tử

Cấu trúc phần cứng điều khiển bao gồm:

  • Khối xử lý trung tâm: Bo mạch Arduino Mega 2560 sử dụng vi điều khiển ATmega2560, sở hữu 54 chân I/O số, bộ nhớ flash 256 KB, cho phép kết nối đồng thời nhiều ngoại vi.
  • Khối động cơ chấp hành: Động cơ cao độ mã PKP268U30BA-L và động cơ định hướng mã PK266M-02A-C2.
  • Mạch công suất (Driver): Module TB6560 điều khiển cấp dòng và phân bước cho 2 động cơ bước.
  • Mạch thời gian thực (RTC): Module DS1302 duy trì đếm thời gian thực chính xác ngay cả khi ngắt nguồn cấp hệ thống.
  • Mạch giao tiếp lưu trữ: Module đọc thẻ Micro SD giao tiếp qua chuẩn SPI, dùng để đọc dữ liệu góc đặt nhật trình và ghi dữ liệu đo đạc.
  • Mạch đo lường công suất: Module PZEM-017 chuyên dụng cho hệ thống một chiều (DC), đo đồng thời điện áp (V), cường độ dòng điện (A) và công suất phát (W).

Giải thuật điều khiển hệ thống

Giải thuật điều khiển hệ thống vận hành theo các khối logic chính:

  1. Khởi tạo: Đọc thời gian hiện tại từ module RTC DS1302 (giờ, phút, giây, ngày, tháng).
  2. Truy xuất dữ liệu góc: Vi điều khiển tìm kiếm tệp dữ liệu nhật trình tương ứng trên thẻ nhớ Micro SD để trích xuất hai giá trị góc đặt: góc phương vị và góc cao độ tại thời điểm thực tế.
  3. Tối ưu hóa đường đi và phát xung điều khiển: Bộ xử lý so sánh góc hiện tại của tracker với góc mục tiêu. Khối thuật toán tối ưu hóa đường đi sẽ tính toán số bước xung ngắn nhất, điều khiển Driver TB6560 kích hoạt các động cơ bước quay đến vị trí xác định, tránh việc quay lặp vòng làm xoắn dây cáp dẫn điện của pin.
  4. Thu thập và lưu trữ: Module PZEM-017 đọc liên tục các thông số điện áp và dòng điện của 2 tấm pin (tấm pin bám hướng và tấm pin đặt cố định phương ngang), gửi dữ liệu về Arduino để ghi nối tiếp vào tệp nhật ký trên thẻ Micro SD.
  5. Chế độ phụ trợ: Cho phép can thiệp bằng chế độ điều khiển bằng tay (manual) để hiệu chỉnh điểm gốc (home position) và tích hợp hàm dừng cưỡng bức khi hệ thống gặp lỗi kẹt cơ khí hoặc quá dòng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của việc nghiên cứu hệ thống điều hướng pin mặt trời trong bối cảnh cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và nhu cầu bảo vệ môi trường trước chất thải quang điện. Tác giả tổng thuật các nghiên cứu quốc tế (Shahriar tại Iran, Mustafa Engin) chứng minh tracker 2 trục tăng từ 35% đến hơn 40% sản lượng điện so với hệ thống cố định. Chương này cũng phân tích thực trạng ứng dụng tracker tại Việt Nam, nêu bật trường hợp điển hình của nhà máy điện mặt trời Hồng Phong 4 (Bình Thuận) đạt sản lượng trên 92 triệu kWh/năm. Từ đó, chương đề ra 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, các giới hạn kỹ thuật của đề tài (tọa độ Thủ Đức: 10°49′36″B, 106°45′39″Đ, dải vận hành từ 6h00 đến 18h00), phương pháp thực nghiệm và bố cục 6 chương của báo cáo.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày toàn diện lý thuyết nền tảng về năng lượng mặt trời, vật lý thiên văn và cơ học truyền động. Nội dung chương phân tích nguồn gốc năng lượng bức xạ thông qua các phản ứng nhiệt hạch tổng hợp Hydro thành Heli bên trong lõi Mặt Trời theo phương trình $E = mc^2$, cường độ bức xạ tiêu chuẩn 1.000 W/m² và bảng số liệu phân bố giờ nắng, bức xạ tại các vùng miền Việt Nam. Về mặt thiên văn, tác giả hệ thống hóa các phương pháp tính toán tọa độ mặt trời từ Kepler, phương trình Cooper (1969) đến thuật toán SPA của Viện Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL); đồng thời trình bày chi tiết chuỗi công thức tính toán các góc $\delta$, $\alpha$, $Azimuth$, biểu đồ đường đi mặt trời (Sun-Path Diagram) tại TP. Hồ Chí Minh. Phần cơ khí hệ thống hóa các dạng mối ghép (ren, hàn, ghép độ dôi), các nguyên lý truyền động ma sát (dây đai) và truyền động ăn khớp (bánh răng, xích), cùng cấu tạo, đặc tính của ổ lăn đỡ chặn.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Chương 3 đi sâu vào quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo khung cơ khí cho hệ tracker 2 bậc tự do. Tác giả phân tích các lực tác dụng lên mô hình bao gồm trọng lực tĩnh của hai tấm pin 12W ($280 \times 350$ mm) và khung chữ U, mô-men xoắn cản trên trục ngang và đặc biệt là tải trọng kết hợp tác động lên trục đứng. Để khắc phục hiện tượng mất cân bằng trọng tâm và lực quán tính quay lớn vào lúc 12h trưa gây trượt bước động cơ, tác giả đưa ra giải pháp cải tiến so với thiết kế sơ bộ: bố trí cụm 2 ổ bi đỡ chặn UCF 603 gắn trên bản mã thép $40 \times 40$ cm để gánh toàn bộ tải trọng dọc trục, kết hợp bộ truyền giảm tốc bánh răng - dây đai XL25/XL40. Chương này cung cấp chi tiết bảng danh mục vật tư gia công thực tế từ sắt hộp $20 \times 20$ mm, gối đỡ $\varnothing 8$ mm đến các khớp nối chuyên dụng.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 cấu thành từ hai phần: xây dựng phần cứng mạch điện tử và phát triển thuật toán điều khiển. Trong phần cứng, tác giả trình bày thông số kỹ thuật, vai trò và sơ đồ chân đấu nối vẽ trên phần mềm Fritzing của vi điều khiển Arduino Mega 2560, hai động cơ bước (PKP268U30BA-L cho góc cao độ và PK266M-02A-C2 cho góc phương vị), mạch công suất TB6560, mạch thời gian thực DS1302, module thẻ nhớ Micro SD và cảm biến đo công suất PZEM-017. Phần giải thuật mô tả chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể, khối lệnh tối ưu hóa đường đi góc xoay, giải thuật xuất xung điều khiển vị trí động cơ và quy trình đọc/ghi dữ liệu công suất vào tệp văn bản trên thẻ nhớ.

CHƯƠNG 5: THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM

Chương 5 ghi lại toàn bộ quá trình lắp ráp hoàn chỉnh, tích hợp hệ thống cơ - điện và tiến hành đo đạc thực địa tại khuôn viên trường ở thành phố Thủ Đức. Thí nghiệm thực hiện song song việc đo công suất phát của tấm pin gắn trên hệ thống điều hướng 2 trục và tấm pin đối chứng đặt cố định theo phương ngang trong cùng điều kiện thời tiết thực tế. Dữ liệu thực nghiệm được đo tự động qua cảm biến PZEM-017 và lưu trữ vào các mốc ngày 10/08/2022 (tập trung khảo sát khung giờ từ 9h40 đến 10h04) và ngày 11/08/2022 (khảo sát khung giờ từ 8h16 đến 9h21), phản ánh rõ nét đồ thị biến thiên công suất thu được theo thời gian giữa hai hệ thống.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu, chỉ rõ ưu điểm của mô hình là hoạt động chính xác theo thuật toán thiên văn, độ bền cơ khí tốt nhờ ổ bi đỡ chặn, thu thập dữ liệu tự động. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các nhược điểm còn tồn tại của mô hình thực nghiệm và định hình các hướng mở rộng nhằm hoàn thiện hệ thống phục vụ ứng dụng thực tiễn quy mô lớn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

  • Về mặt tính toán: Khóa luận đã tính toán và trích xuất thành công bộ dữ liệu nhật trình vị trí mặt trời (góc cao độ $\alpha$ và góc phương vị $Azimuth$) tương thích cho tọa độ thành phố Thủ Đức (10°49′36″B, 106°45′39″Đ). Cơ sở dữ liệu này có độ sai lệch được kiểm chứng qua các công cụ thiên văn SunCalc và 3Dsun-Path chỉ nằm trong khoảng $\pm 0,5^\circ$.
  • Về mặt chế tạo cơ khí: Gia công và hoàn thiện khung cơ cấu tracker 2 bậc tự do chịu tải chắc chắn bằng sắt hộp $20 \times 20$ mm, đảm bảo góc phương vị xoay đủ $360^\circ$ và góc cao độ đạt dải quét từ $0^\circ$ đến $90^\circ$ (khả năng mở rộng tối đa $180^\circ$). Cụm ổ bi UCF 603 triệt tiêu hoàn toàn lực đè dọc trục lên động cơ phương vị.
  • Về mặt thực nghiệm đo đạc: Dữ liệu ghi nhận từ cảm biến PZEM-017 trong các đợt thí nghiệm ngày 10/08/2022 và ngày 11/08/2022 đã ghi nhận sự chênh lệch rõ rệt về công suất phát điện tức thời: tấm pin gắn trên tracker 2 trục bám sát tia bức xạ trực tiếp của mặt trời luôn tạo ra đường đồ thị công suất cao hơn đáng kể so với tấm pin đặt cố định phương ngang trong cùng các chu kỳ đo (chẳng hạn khung giờ từ 9h40 đến 10h04 ngày 10/08 và từ 8h16 đến 9h21 ngày 11/08).

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  1. Cải tiến chịu tải cơ khí trục đứng: Thay vì lắp trục động cơ trực tiếp chịu tải tĩnh của toàn bộ hệ thống phía trên, nhóm tác giả đề xuất và triển khai cơ cấu trục đứng phụ nâng đỡ bằng cặp ổ bi đỡ chặn UCF 603 cố định trên bản mã, truyền động qua dây đai và bánh răng tỉ lệ XL25/XL40. Giải pháp này giúp hệ thống chống rung lắc, chịu lực dọc trục và ngăn ngừa triệt để hiện tượng trượt bước của động cơ định hướng tại thời điểm 12h trưa.
  2. Phương pháp xử lý dữ liệu ngoại tuyến: Thay vì sử dụng vi điều khiển để tính toán trực tiếp các hàm lượng giác phức tạp trong thời gian thực (vốn dễ gây trễ và treo hệ thống vi xử lý nhúng), nhóm tác giả đề xuất tính toán sẵn cơ sở dữ liệu góc theo từng phút của cả năm trên máy tính, biên dịch và lưu vào thẻ nhớ Micro SD để Arduino Mega 2560 đọc trực tiếp qua module RTC DS1302.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

Tác giả đã cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh từ tính toán giải tích thiên văn, bản vẽ kết cấu chi tiết máy, sơ đồ mạch nguyên lý đến mã nguồn chương trình điều khiển C/C++ cho hệ thống tracker 2 trục tại khu vực phía Nam Việt Nam. Đề tài chứng minh rằng hoàn toàn có thể xây dựng một hệ thống điều hướng chính xác cao bằng phương pháp thiên văn với chi phí linh kiện phổ thông, không bị phụ thuộc vào điều kiện thời tiết hay hiện tượng mây che cục bộ vốn thường làm sai lệch các hệ thống tracker sử dụng cảm biến quang trở (LDR) truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Thời gian và quy mô đo đạc thực nghiệm còn hẹp: Do điều kiện thời tiết tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn tháng 8 (mùa mưa, xuất hiện nhiều mây và mưa bất chợt), dữ liệu thu thập qua PZEM-017 chủ yếu tập trung trong các khoảng thời gian ngắn của ngày 10/08 và ngày 11/08/2022, chưa ghi nhận trọn vẹn chu kỳ nhiều tháng liên tục trong năm.
  • Cố định khung thời gian vận hành: Hệ thống mặc định vận hành điều hướng cơ học trong khung giờ cố định từ 6h00 đến 18h00, chưa lập trình kích hoạt tự động theo các thời điểm mặt trời mọc (sunrise) và lặn (sunset) tính toán giải tích theo ngày thực tế.
  • Quy mô công suất nhỏ: Mô hình dừng lại ở mức thí nghiệm phòng lab với hai tấm pin công suất 12W, chưa thử nghiệm với tấm pin công suất công nghiệp lớn chịu tác động của tải trọng gió bão ngoài trời.
  • Chưa xử lý bài toán che bóng (shading): Văn bản chỉ ra rằng với hệ thống tracker 2 trục, hiện tượng các tấm pin phía trước đổ bóng lên các tấm pin phía sau khi triển khai trang trại diện tích lớn vẫn là bài toán phức tạp chưa được giải quyết trong phạm vi nghiên cứu này.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp công thức tính toán thời gian bình minh và hoàng hôn tự động để đóng/ngắt chu kỳ hoạt động của động cơ, đồng thời tự động đưa tấm pin về vị trí đón nắng hướng Đông vào ban đêm.
  • Mở rộng quy mô công suất cơ khí, thử nghiệm hệ khung với các tấm pin thương mại có kích thước lớn.
  • Bổ sung cảm biến đo tốc độ gió để tự động chuyển tấm pin về trạng thái nằm ngang an toàn khi xuất hiện giông gió lớn.
  • Nghiên cứu giải thuật điều khiển chống che bóng (backtracking algorithm) để ứng dụng trong các cụm trang trại pin mặt trời quy mô tập trung.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo kỹ thuật thiết thực đối với:

  • Sinh viên và học viên ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Có thể tham khảo phương pháp tính toán giải tích thiên văn học ứng dụng, công thức chuyển đổi giờ địa phương và tọa độ mặt trời tại Chương 2.
  • Người làm đồ án, dự án nghiên cứu về Solar Tracker: Có thể ứng dụng trực tiếp thiết kế cơ cấu truyền động chịu lực bằng ổ bi đỡ chặn UCF 603 (Chương 3), sơ đồ đấu nối vi điều khiển Arduino Mega 2560 với Driver TB6560, RTC DS1302 và module PZEM-017 (Chương 4).
  • Các kỹ sư phát triển thiết bị đo kiểm DC: Có thể tham khảo phương thức giao tiếp và thu thập dữ liệu tự động từ cảm biến PZEM-017 sang thẻ nhớ Micro SD làm hệ thống ghi dữ liệu độc lập (Datalogger).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lại lựa chọn phương pháp thiên văn thay vì phương pháp sử dụng cảm biến quang trở (LDR) để điều hướng?

Phương pháp cảm biến quang trở (LDR) thường gặp lỗi sai lệch lớn khi thời tiết nhiều mây, mây che một phần hoặc ánh sáng tán xạ từ môi trường xung quanh gây nhiễu tín hiệu so sánh. Phương pháp thiên văn dựa trên tính toán quỹ đạo chuyển động toán học của Trái Đất quanh Mặt Trời, giúp xác định chính xác vị trí góc cao độ và góc phương vị tại từng phút độc lập với điều kiện mây mù hay bụi bẩn bám trên bề mặt pin.

2. Tọa độ tham chiếu địa lý và độ sai lệch tính toán của cơ sở dữ liệu góc trong khóa luận là bao nhiêu?

Cơ sở dữ liệu được xây dựng cụ thể cho khu vực thành phố Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh với tọa độ tham chiếu là 10°49′36″B và 106°45′39″Đ (vĩ độ $10,85^\circ\text{B}$, kinh độ $106,77^\circ\text{Đ}$, múi giờ UTC+7). Khi so sánh, đối chiếu với hai công cụ tính toán vị trí mặt trời là SunCalc và 3Dsun-Path, độ sai lệch của mô hình chỉ dao động trong khoảng $\pm 0,5^\circ$.

3. Vấn đề cơ khí nghiêm trọng nhất ở trục đứng định hướng là gì và nhóm tác giả đã xử lý như thế nào?

Trục đứng phải gánh toàn bộ trọng lượng của khung chữ U, tấm pin và động cơ góc cao độ, đồng thời chịu mô-men quán tính rất lớn khi quay nhanh vào thời điểm 12 giờ trưa (thời điểm góc phương vị đổi hướng nhanh nhất), dễ dẫn đến gãy hỏng ổ bi động cơ và gây hiện tượng trượt bước điều khiển. Tác giả đã giải quyết bằng cách bổ sung một trục đỡ độc lập gắn 2 ổ bi đỡ chặn UCF 603 trên bản mã thép $40 \times 40$ cm để chịu lực dọc trục, sau đó truyền động gián tiếp từ động cơ qua bộ bánh răng đai giảm tốc XL25/XL40.

4. Hệ thống nhúng của đề tài sử dụng những module linh kiện điện tử nào để vận hành và thu thập dữ liệu?

Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 làm trung tâm xử lý, mạch thời gian thực DS1302 để lấy mốc giờ thực tế, module thẻ nhớ Micro SD để trích xuất góc đặt và ghi nhật ký đo, driver TB6560 để điều khiển 2 động cơ bước (PKP268U30BA-L và PK266M-02A-C2), cùng mạch đo chuyên dụng PZEM-017 để ghi nhận các thông số dòng điện, điện áp và công suất phát DC của các tấm pin.

5. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh hiệu quả phát điện của mô hình được ghi nhận vào thời gian nào?

Dữ liệu thực nghiệm của mô hình được ghi nhận qua cảm biến PZEM-017 vào ngày 10/08/2022 (khảo sát khung thời gian từ 9h40 đến 10h04) và ngày 11/08/2022 (khảo sát khung thời gian từ 8h16 đến 9h21) tại Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh. Các kết quả vẽ lại trên đồ thị cho thấy công suất phát của tấm pin gắn trên tracker 2 trục bám hướng mặt trời liên tục duy trì mức cao hơn rõ rệt so với tấm pin đối chứng đặt cố định theo phương ngang.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả đã hoàn thành thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực tế mô hình hệ thống điều hướng pin mặt trời 2 trục ứng dụng phương pháp thiên văn tại thành phố Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu đã giải quyết thành công bài toán cơ khí chịu tải dọc trục đứng nhờ cụm ổ bi đỡ chặn UCF 603 kết hợp bộ truyền bánh răng đai, đồng thời xây dựng hệ thống nhúng Arduino Mega 2560 vận hành ổn định qua cơ sở dữ liệu góc tính toán trước trên thẻ nhớ Micro SD. Kết quả thực nghiệm đo đạc bằng mạch PZEM-017 trong các ngày 10/08 và 11/08/2022 đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và khả năng gia tăng công suất phát điện của mô hình tracker 2 trục so với tấm pin đặt cố định phương ngang.