Giới thiệu dự án

Nhu cầu chuyển dịch năng lượng toàn cầu và tại Việt Nam đang thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó điện mặt trời (quang điện - Photovoltaic) giữ vai trò chủ lực. Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quy hoạch điện VIII), Việt Nam định hướng nâng quy mô công suất điện mặt trời lên 12.836 MW vào năm 2030 và hướng tới 168.000 MW vào năm 2050. Với vị trí nằm trong vành đai nhiệt đới (vĩ độ $8^\circ 27' - 23^\circ 23'\text{B}$), tiềm năng bức xạ trung bình năm đạt từ $4{,}3 - 5{,}2\text{ kWh/m}^2/\text{ngày}$. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống quang điện hiện nay được lắp đặt theo kết cấu giàn cố định, dẫn đến tổn thất hiệu suất từ $20% - 35%$ do góc tới của tia bức xạ mặt trời liên tục thay đổi theo thời gian thực trong ngày và theo mùa trong năm.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là: Làm thế nào để duy trì góc chiếu của bức xạ mặt trời luôn vuông góc với bề mặt tấm pin ($90^\circ$) nhằm cực đại hóa công suất phát đỉnh ($P_{\text{max}}$) mà vẫn đảm bảo độ ổn định công nghiệp, loại bỏ được nhược điểm dễ bám bụi, sai lệch tín hiệu và lão hóa quang học của các hệ thống bám quang học (Active Solar Tracking dùng cảm biến quang trở LDR)?

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Năng lượng Tái tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE) đã giải quyết bài toán trên thông qua đề tài: "Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời bằng PLC S7-1200".

Mục tiêu cụ thể của dự án gồm:

  1. Xây dựng thuật toán thiên văn học SPA (Solar Position Algorithm) thụ động, tính toán chính xác góc cao độ ($\alpha$) và góc phương vị ($z$) dựa trên tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) và thời gian thực (RTC).
  2. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình cơ khí tracking 2 trục (Dual-axis Solar Tracking) chịu tải trọng bề mặt với cơ cấu hộp giảm tốc trục vít tối ưu tỷ số truyền.
  3. Lập trình điều khiển phát xung tốc độ cao PTO (Pulse Train Output) trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) qua phần mềm TIA Portal để dẫn động động cơ bước chính xác.
  4. Xây dựng hệ thống giám sát SCADA/HMI trên nền tảng Siemens WinCC phục vụ vận hành và thu thập dữ liệu.
  5. Tiến hành khảo nghiệm thực địa đối chứng trực tiếp giữa hệ thống tracking 2 trục và hệ thống pin cố định trong cùng điều kiện khí tượng để định lượng mức tăng sản lượng điện áp và năng lượng.

Phương pháp tiếp cận giải pháp sử dụng phương pháp bám thụ động (Passive Algorithm Tracking) chạy trên phần cứng điều khiển khả trình cấp công nghiệp (Industrial PLC), mang lại độ tin cậy vượt trội so với các vi điều khiển nhúng dân dụng (như Arduino hay vi xử lý 8-bit), kháng nhiễu công nghiệp và hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt ngoài trời.

Phạm vi và giới hạn: Dự án chế tạo mô hình thử nghiệm ứng dụng tấm pin quang điện đơn tinh thể công suất 20W ($30 \times 40\text{ cm}$, tải trọng $1{,}5\text{ kg}$), tập trung vào độ chính xác của giải thuật định vị thiên văn và cơ chế điều khiển phát xung chuyển động 2 bậc tự do; chưa tích hợp cảm biến đo tải trọng gió bão tự động gập phẳng (Stow Mode) và biến tần hòa lưới thương mại.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay, các giải pháp lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời trên thị trường được chia thành ba nhóm chính:

Tiêu chí phân tích Hệ thống giàn pin cố định (Fixed-Tilt PV) Hệ thống Tracking chủ động (Active LDR Tracking) Hệ thống Tracking thụ động bằng PLC (Đề tài nghiên cứu)
Cơ chế điều hướng Không điều hướng (góc nghiêng cố định $10^\circ - 15^\circ$) Cảm biến quang trở LDR so sánh cường độ sáng Thuật toán tọa độ mặt trời SPA + Đồng hồ thời gian thực PLC
Độ tin cậy vận hành Rất cao (không có cơ cấu truyền động) Thấp đến trung bình (cảm biến dễ hỏng, bám bụi, sai lệch khi trời nhiều mây) Cực kỳ cao (chuẩn công nghiệp IP20/IP65, không phụ thuộc cảm biến quang)
Hiệu suất thu năng lượng Mức cơ sở ($100%$) Tăng $+15% \text{ đến } +22%$ Tăng $+20% \text{ đến } +35%$ (thực nghiệm kiểm chứng $+8{,}5%$ điện áp trung bình)
Chi phí bảo trì Rất thấp Cao (thay thế cảm biến, hiệu chuẩn quang sai) Thấp (chỉ bảo dưỡng định kỳ cơ khí bôi trơn bánh răng)
Khả năng mở rộng SCADA Hạn chế Khó tích hợp chuẩn công nghiệp Tích hợp gốc qua PROFINET, Modbus TCP/RTU, WinCC

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Khối thuật toán SPA tính toán góc phương vị và góc cao độ; khối hàm PTO phát xung điều khiển 2 động cơ bước; tủ điện điều khiển chứa PLC S7-1200 và Driver; mạch bảo vệ ngắt mềm/cứng.
  • Should have: Giao diện điều khiển HMI/SCADA trên WinCC giám sát góc quay và thời gian thực; cơ cấu hộp số giảm tốc chống trượt do trọng lượng tấm pin.
  • Could have: Chế độ chuyển đổi Manual/Auto linh hoạt trực tiếp trên giao diện vận hành; chức năng trả về vị trí gốc (Home Position) sau khi mặt trời lặn.
  • Won't have: Cơ cấu khí nén thủy lực phức tạp (do chi phí vượt ngưỡng đồ án); module tích hợp mạng truyền thông đám mây IoT Cloud.

Ràng buộc kỹ thuật cốt lõi: Động cơ bước phải sinh đủ mô-men xoắn giữ và mô-men quay để nâng tấm pin từ góc $0^\circ$ đến $90^\circ$. Với khối lượng cụm pin và khung là $2\text{ kg}$, chiều dài cánh tay đòn $r = 0{,}15\text{ m}$, mô-men xoắn tĩnh tính toán: $$\tau = m \cdot g \cdot r \cdot \sin(\theta) = 2 \cdot 9{,}81 \cdot 0{,}15 \cdot \sin(90^\circ) = 2{,}943\text{ Nm}$$ Do đó, động cơ bước kéo trực tiếp không khả thi, bắt buộc phải trang bị hộp số giảm tốc tỷ số truyền $1/36$ để khuếch đại mô-men xoắn hữu dụng lên đến trên $10\text{ Nm}$.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc tổng thể của hệ thống tracking 2 trục được thiết kế thành các phân tầng chức năng rõ ràng:

Danh mục công nghệ và thiết bị được tiêu chuẩn hóa chi tiết:

Thành phần Thiết bị / Phiên bản Thông số kỹ thuật Vai trò chức năng
Bộ điều khiển trung tâm Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Firmware v4.4) 14 DI / 10 DO tích hợp, 2 AI ($0-10\text{V}$), 100 KB Work Memory Xử lý logic, tính toán giải thuật SPA, phát chuỗi xung PTO
Môi trường lập trình Siemens TIA Portal V16/V17 Hỗ trợ ngôn ngữ LAD, FBD, SCL, STL Soạn thảo chương trình, cấu hình Hardware, gỡ lỗi Online
Động cơ chấp hành Baomain PK264_01B (2 động cơ) Stepper Motor 2 pha, dòng $1\text{A}$, mô-men giữ $0{,}45\text{Nm}$ Dẫn động trục X (phương vị) và trục Y (cao độ)
Bộ giảm tốc Hộp giảm tốc hành tinh / trục vít Tỷ số truyền $1/36$ và $1/10$ Tăng mô-men xoắn, chống tự quay do tải trọng gió
Driver điều khiển TB6600 / TP6600 (2 bộ) Điện áp vào $9 - 42\text{VDC}$, dòng ngắt cực đại $4\text{A}$ Khuếch đại công suất điều khiển cuộn dây động cơ bước
Hệ thống giám sát Siemens WinCC Runtime Advanced Giao tiếp qua giao thức PROFINET Industrial Ethernet Hiển thị trạng thái, vị trí góc, báo lỗi, điều khiển Manual
Nguồn cấp hạ áp Nguồn xung Switching Industrial $220\text{VAC} \to 24\text{VDC} - 5\text{A}$ Cấp nguồn ổn định cho PLC, Driver và rơ-le trung gian
Tấm pin thử nghiệm Mono/Polycrystalline PV Panel Công suất $20\text{W}$, điện áp hở mạch $9\text{V}$, $30 \times 40\text{ cm}$ Chuyển đổi quang năng thành điện năng đo đạc

Methodology

Quy trình nghiên cứu và phát triển hệ thống áp dụng mô hình chữ V (V-Model Engineering) chuẩn tự động hóa:

  • Giai đoạn 1 - Thiết kế và Tính toán Lý thuyết: Mô hình hóa toán học đường đi mặt trời; thiết kế 3D cụm khung đỡ bằng SolidWorks 2022 để kiểm tra va chạm động học; tính toán ứng suất cơ khí.
  • Giai đoạn 2 - Lắp ráp phần cứng và Tủ điện: Gia công cắt phay kim loại chân đế, trục xoay; bố trí layout tủ điện công nghiệp ($40 \times 30 \times 20\text{ cm}$) theo tiêu chuẩn cách ly đường động lực và đường điều khiển tín hiệu để tránh nhiễu xung.
  • Giai đoạn 3 - Lập trình điều khiển: Xây dựng Function Block (FB) tính toán thiên văn trên TIA Portal; cấu hình Pulse Generators (PTO) trên chân $Q0.0$ và $Q0.2$; gán bit hướng (Direction) trên $Q0.1$ và $Q0.3$.
  • Giai đoạn 4 - Thử nghiệm và Khảo sát thực địa: Chạy thử nghiệm hiệu chuẩn góc (Calibration); đo đạc dữ liệu điện áp và dòng điện phát thực tế ngoài trời, đối chiếu song song với hệ tĩnh.

Quản trị rủi ro hệ thống:

  • Rủi ro kẹt cơ khí / quá dòng: Cài đặt giới hạn dòng trên Driver TB6600 ở mức $2{,}0\text{A}$, bố trí công tắc hành trình cơ khí ở các vị trí biên ($0^\circ$ và $180^\circ$ trục Đông-Tây; $0^\circ$ và $90^\circ$ trục Nam-Bắc).
  • Rủi ro mất nguồn thời gian thực: Tích hợp siêu tụ/pin nuôi thời gian thực RTC bên trong PLC S7-1200 để lưu giữ giá trị ngày giờ chuẩn xác ngay cả khi mất điện lưới.

Implementation và kết quả

Development process

Cốt lõi của hệ thống là khối giải thuật tính toán vị trí mặt trời thụ động dựa trên thời gian và tọa độ địa lý trích xuất từ các phương trình thiên văn chuẩn:

  1. Góc lệch mặt trời ($\delta$ - Solar Declination): $$\delta = 23{,}45^\circ \cdot \sin\left(\frac{360}{365} \cdot (284 + N)\right)$$ (với $N$ là số thứ tự ngày trong năm, $1 \le N \le 365$)

  2. Góc giờ ($h$ - Hour Angle): Tính từ thời gian mặt trời biểu kiến (Apparent Solar Time - AST): $$h = (\text{AST} - 12) \times 15^\circ$$

  3. Góc cao độ mặt trời ($\alpha$ - Solar Altitude Angle): $$\sin(\alpha) = \sin(\phi)\sin(\delta) + \cos(\phi)\cos(\delta)\cos(h)$$ (với $\phi$ là vĩ độ địa lý của vị trí lắp đặt, TP.HCM: $\phi \approx 10{,}82^\circ\text{B}$)

  4. Góc phương vị ($z$ - Solar Azimuth Angle): $$\cos(z) = \frac{\sin(\alpha)\sin(\phi) - \sin(\delta)}{\cos(\alpha)\cos(\phi)}$$

Đoạn mã lập trình bằng ngôn ngữ SCL (Structured Control Language) trong khối hàm FC_Solar_Position_Algorithm trên TIA Portal được triển khai như sau:

// Khối hàm tính toán góc định vị mặt trời (SPA Block)
FUNCTION "FC_Solar_Calculations" : VOID
VAR_INPUT
    Latitude_Deg : Real;       // Vĩ độ địa lý (TP.HCM: 10.82)
    Day_Of_Year  : Int;        // Ngày thứ N trong năm (1 - 365)
    Hour_Real    : Real;       // Giờ địa phương dạng số thực (vd: 14.5 = 14h30)
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Altitude_Deg : Real;       // Góc cao độ mặt trời (Alpha)
    Azimuth_Deg  : Real;       // Góc phương vị mặt trời (Z)
END_VAR
VAR_TEMP
    Declination_Rad : Real;
    HourAngle_Rad   : Real;
    Lat_Rad         : Real;
    Sin_Alpha       : Real;
    Alpha_Rad       : Real;
    Cos_Azimuth     : Real;
    PI              : Real;
END_VAR

BEGIN
    PI := 3.14159265358979;
    Lat_Rad := Latitude_Deg * (PI / 180.0);
    
    // 1. Tính góc lệch mặt trời Declination (Delta)
    Declination_Rad := (23.45 * SIN((360.0 / 365.0 * (284.0 + INT_TO_REAL(Day_Of_Year))) * (PI / 180.0))) * (PI / 180.0);
    
    // 2. Tính góc giờ Hour Angle (h)
    HourAngle_Rad := ((Hour_Real - 12.0) * 15.0) * (PI / 180.0);
    
    // 3. Tính Sin của góc cao độ (Sin Alpha)
    Sin_Alpha := (SIN(Lat_Rad) * SIN(Declination_Rad)) + (COS(Lat_Rad) * COS(Declination_Rad) * COS(HourAngle_Rad));
    Alpha_Rad := ASIN(Sin_Alpha);
    Altitude_Deg := Alpha_Rad * (180.0 / PI);
    
    // 4. Tính Cos của góc phương vị (Cos Azimuth)
    IF COS(Alpha_Rad) <> 0.0 THEN
        Cos_Azimuth := ((Sin_Alpha * SIN(Lat_Rad)) - SIN(Declination_Rad)) / (COS(Alpha_Rad) * COS(Lat_Rad));
        IF Cos_Azimuth > 1.0 THEN Cos_Azimuth := 1.0; END_IF;
        IF Cos_Azimuth < -1.0 THEN Cos_Azimuth := -1.0; END_IF;
        
        IF Hour_Real <= 12.0 THEN
            Azimuth_Deg := 180.0 - (ACOS(Cos_Azimuth) * (180.0 / PI)); // Buổi sáng
        ELSE
            Azimuth_Deg := 180.0 + (ACOS(Cos_Azimuth) * (180.0 / PI)); // Buổi chiều
        END_IF;
    END_IF;
END_FUNCTION

Thuật toán cấp xung điều khiển động cơ bước quy đổi độ dịch chuyển góc thành số lượng xung phát ra từ ngõ ra PTO: $$\text{Số xung PTO} = \frac{\Delta \theta \times \text{Số bước/vòng} \times \text{Microstepping} \times \text{Tỷ số truyền hộp số}}{360^\circ}$$ Với động cơ góc bước $1{,}8^\circ$ ($200\text{ bước/vòng}$), vi bước $1/4$ ($800\text{ xung/vòng}$), hộp giảm tốc $1/36$: $$\text{Xung trên mỗi độ} = \frac{800 \times 36}{360^\circ} = 80\text{ xung/độ}$$

Testing và validation

Quá trình thực nghiệm đối chứng được thực hiện trực tiếp tại TP. Hồ Chí Minh trong 2 ngày điển hình (19/06/2024 và 20/06/2024) từ 08:00 đến 17:00, lấy mẫu định kỳ mỗi 60 phút:

Khung giờ khảo sát Điện áp Hệ Cố định ($V_{\text{Fix}}$) - Ngày 19/6 Điện áp Hệ Tracking ($V_{\text{Track}}$) - Ngày 19/6 Điện áp Hệ Cố định ($V_{\text{Fix}}$) - Ngày 20/6 Điện áp Hệ Tracking ($V_{\text{Track}}$) - Ngày 20/6 Chênh lệch điện áp trung bình
08:00 $7{,}85\text{ V}$ $9{,}12\text{ V}$ $7{,}90\text{ V}$ $9{,}15\text{ V}$ $+16{,}02%$
09:00 $8{,}30\text{ V}$ $9{,}25\text{ V}$ $8{,}25\text{ V}$ $9{,}28\text{ V}$ $+11{,}97%$
10:00 $8{,}75\text{ V}$ $9{,}32\text{ V}$ $8{,}80\text{ V}$ $9{,}35\text{ V}$ $+6{,}38%$
11:00 $9{,}10\text{ V}$ $9{,}40\text{ V}$ $9{,}15\text{ V}$ $9{,}42\text{ V}$ $+3{,}12%$
12:00 $9{,}35\text{ V}$ $9{,}45\text{ V}$ $9{,}38\text{ V}$ $9{,}46\text{ V}$ $+0{,}96%$
13:00 $9{,}30\text{ V}$ $9{,}44\text{ V}$ $9{,}32\text{ V}$ $9{,}45\text{ V}$ $+1{,}45%$
14:00 $8{,}85\text{ V}$ $9{,}38\text{ V}$ $8{,}90\text{ V}$ $9{,}40\text{ V}$ $+5{,}80%$
15:00 $8{,}20\text{ V}$ $9{,}26\text{ V}$ $8{,}25\text{ V}$ $9{,}30\text{ V}$ $+12{,}82%$
16:00 $7{,}40\text{ V}$ $8{,}95\text{ V}$ $7{,}50\text{ V}$ $9{,}02\text{ V}$ $+20{,}60%$
17:00 $5{,}90\text{ V}$ $7{,}80\text{ V}$ $6{,}10\text{ V}$ $7{,}95\text{ V}$ $+31{,}20%$
Giá trị trung bình $8{,}30\text{ V}$ $9{,}01\text{ V}$ $8{,}35\text{ V}$ $9{,}08\text{ V}$ $+8{,}56%$

Kết quả đạt được

  1. Hiệu suất năng lượng: Điện áp đầu ra trung bình của hệ thống tracking 2 trục đạt $9{,}05\text{ V}$, cao hơn $8{,}56%$ so với hệ thống cố định ($8{,}33\text{ V}$). Đáng chú ý, vào các khung giờ sáng sớm (08:00 - 09:00) và cuối chiều (16:00 - 17:00), mức tăng điện áp vượt mức $+20% \text{ đến } +31%$, cho thấy khả năng triệt tiêu góc lệch quang học hoàn hảo khi mặt trời ở góc cao độ thấp.
  2. Độ chính xác điều khiển: Hệ thống quay theo các bước góc mịn ($1^\circ - 2^\circ/\text{chu kỳ}$), loại bỏ hiện tượng rung lắc giật cục nhờ thuật toán làm mượt tăng tốc/giảm tốc S-Curve tích hợp trong tập lệnh Motion Control của S7-1200.
  3. Mức độ hoàn thiện: Toàn bộ $100%$ mục tiêu chức năng đặt ra (khối tính toán SPA, khối cấp xung PTO, bảo vệ liên động cơ - điện, giao diện HMI WinCC) đều vận hành ổn định không phát sinh lỗi tràn bộ nhớ PLC hay mất bước động cơ.

Đổi mới và đóng góp

  • Loại bỏ hoàn toàn cảm biến quang học dễ sai hỏng: Thay vì dựa vào cảm biến quang trở LDR hay camera quang sai vốn dễ bị đánh lừa bởi mây cục bộ hoặc bụi bẩn, hệ thống sử dụng thuật toán thuần toán học thiên văn (Passive SPA), đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối $100%$ trong mọi hình thái thời tiết.
  • Ứng dụng tiêu chuẩn tự động hóa công nghiệp: Đưa nền tảng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal vào lĩnh vực năng lượng mặt trời phân tán. Đây là sự chuyển giao quan trọng từ các mạch vi điều khiển tự chế không bền sang thiết bị chuẩn công nghiệp có MTBF (Mean Time Between Failures) hàng chục nghìn giờ.
  • Tối ưu hóa cơ khí mô-men xoắn bằng hộp số 1/36: Giải pháp kết hợp động cơ bước công suất nhỏ với hộp số giảm tốc tỷ lệ cao giúp giảm điện năng tự tiêu thụ của hệ thống tracking xuống mức tối thiểu (động cơ chỉ kích hoạt phát xung vài giây mỗi chu kỳ điều chỉnh góc, sau đó ngắt dòng hoặc giảm dòng giữ để tiết kiệm điện).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai thực tế

  1. Nhà máy điện mặt trời tập trung (Utility-Scale Solar Farm): Ứng dụng cấu trúc Master-Slave, trong đó một PLC Siemens S7-1200/S7-1500 trung tâm tính toán góc SPA và truyền tọa độ đồng bộ qua mạng PROFINET/Modbus TCP tới hàng trăm dàn pin tracking độc lập.
  2. Hệ thống vi lưới hải đảo và trạm viễn thông vùng sâu vùng xa: Những khu vực có chi phí nhân công bảo dưỡng cực cao sẽ hưởng lợi tối đa từ độ bền của PLC và tính chất tự vận hành không cần lau chùi cảm biến của giải thuật thụ động.
  3. Mô hình Nông nghiệp kết hợp Điện mặt trời (Agri-PV): Tracking 2 trục cho phép điều chỉnh góc tấm pin để vừa hứng quang năng tối ưu, vừa có thể điều khiển xoay nghiêng tạo luồng sáng linh hoạt cho cây trồng bên dưới theo nhu cầu quang hợp.

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

Với quy mô thương mại công suất 1 MWp:

  • Sản lượng tăng thêm hàng năm ước tính: $+22% - 28%$ (tương đương thêm khoảng $350.000\text{ kWh/năm}$).
  • Doanh thu phát sinh hàng năm (tính theo giá FIT ước tính 1.800 VNĐ/kWh): $\approx 630.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Chi phí đầu tư cơ cấu cơ khí và điều khiển PLC: tăng khoảng $15 - 18%$ tổng mức đầu tư giàn khung.
  • Thời gian thu hồi vốn bổ sung (Payback Period for Tracking System): $2{,}8 - 3{,}5\text{ năm}$, sau đó mang lại lợi nhuận ròng vượt trội trong suốt vòng đời dự án 25 năm.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Mô hình đồ án chỉ dừng ở mức công suất nhỏ 20W phục vụ phòng thí nghiệm và khảo sát nguyên lý, chưa thử nghiệm trên các cụm pin công nghiệp cỡ lớn ($450\text{W} - 650\text{W}$) với diện tích cản gió lớn.
  • Chưa tích hợp cảm biến đo tốc độ gió (Anemometer) ngắt khẩn cấp để tự động đưa tấm pin về vị trí nằm ngang song song mặt đất khi xảy ra giông bão giật cấp cao.

Hướng phát triển mở rộng

  1. Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI/Diffuse Radiation Tracking): Kết hợp thuật toán thiên văn với mô hình học máy (Machine Learning) dự báo bức xạ khuếch tán vào những ngày âm u nhiều mây, tự động điều chỉnh tấm pin đón bức xạ tán xạ thay vì chỉ bám theo vị trí mặt trời hình học.
  2. Giao tiếp IoT Cloud Telemetry: Mở rộng card truyền thông CP 1243-1 để đẩy dữ liệu điện áp, dòng điện, công suất và trạng thái góc quay lên nền tảng đám mây (AWS/Azure IoT qua giao thức MQTT), phục vụ giám sát toàn diện từ xa trên thiết bị di động.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành: Là tài liệu mẫu hoàn chỉnh kết hợp liên ngành giữa Cơ khí động lực, Năng lượng tái tạo và Tự động hóa công nghiệp (PLC TIA Portal).
  • Kỹ sư Tự động hóa & Lập trình PLC: Cung cấp sẵn mã nguồn khối hàm SCL tính toán thiên văn SPA chính xác và cấu trúc điều khiển chuyển động PTO thực chiến.
  • Chủ đầu tư & Doanh nghiệp EPC Năng lượng: Nắm bắt được bài toán hiệu quả kinh tế, cơ sở kỹ thuật để lựa chọn công nghệ điều hướng cho các dự án Solar Rooftop và Solar Farm thương mại.
  • Nhà nghiên cứu: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đối chứng chi tiết theo từng khung giờ trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Cần trang bị 01 CPU PLC Siemens S7-1200 (CPU 1211C hoặc 1214C DC/DC/DC có ngõ ra bán dẫn Transistor để phát xung), 02 Driver điều khiển động cơ bước (như TB6600), 02 Động cơ bước có gắn hộp số giảm tốc (tối thiểu $1/10$, khuyến nghị $1/36$), nguồn cấp 24VDC và cơ cấu giá đỡ 2 bậc tự do.

2. Thuật toán thụ động có bị sai lệch vị trí sau thời gian dài vận hành không?

Không. Thuật toán SPA tính toán dựa trên các hằng số thiên văn học bất biến và thời gian thực RTC của PLC. Miễn là đồng hồ hệ thống PLC được duy trì chính xác, sai số góc chỉ nằm trong khoảng $<0{,}05^\circ$, hoàn toàn không có hiện tượng trôi sai số tích lũy.

3. Hệ thống tiêu thụ bao nhiêu năng lượng cho việc tự vận hành?

Nhờ cơ cấu hộp giảm tốc tự hãm và giải thuật điều khiển ngắt quãng (chỉ cấp xung quay dịch chuyển $1^\circ$ sau mỗi 4 phút, sau đó động cơ về trạng thái nghỉ), lượng điện năng tự tiêu thụ của hệ thống chỉ chiếm chưa đến $1{,}5%$ tổng sản lượng điện thu hoạch được từ tấm pin.

4. Làm thế nào để bảo vệ hệ thống khi gặp gió bão lớn?

Trong ứng dụng công nghiệp, chỉ cần gắn thêm một cảm biến đo tốc độ gió (ngõ vào Analog $4-20\text{mA}$ hoặc xung số). Khi tốc độ gió vượt ngưỡng an toàn ($>15\text{ m/s}$), PLC lập tức kích hoạt chế độ "Stow Mode" điều khiển trục xoay đưa bề mặt pin về phương ngang $0^\circ$ để triệt tiêu lực cản gió.

5. Sự khác biệt cốt lõi giữa PLC S7-1200 và Arduino trong ứng dụng này là gì?

PLC S7-1200 được thiết kế chuyên dụng cho môi trường công nghiệp: khả năng chống nhiễu điện từ (EMC), dải nhiệt độ hoạt động rộng ($-20^\circ\text{C} \text{ đến } +60^\circ\text{C}$), ngõ ra phát xung PTO cứng chuẩn xác, nguồn cấp 24V tiêu chuẩn và khả năng tích hợp mạng SCADA sẵn có; trong khi Arduino là bo mạch mẫu thí nghiệm, dễ treo vi xử lý khi hoạt động lâu dài ngoài trời.

Kết luận

Đề tài "Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời bằng PLC S7-1200" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh thành công tính khả thi và ưu thế vượt trội của phương pháp tracking 2 trục thụ động. Với mức điện áp trung bình tăng $8{,}56%$ và đạt đỉnh trên $30%$ vào đầu và cuối ngày, giải pháp không chỉ giải quyết triệt để bài toán suy giảm hiệu suất của giàn pin cố định mà còn mang lại độ tin cậy vận hành chuẩn công nghiệp. Đây là nền tảng kỹ thuật vững chắc sẵn sàng cho việc mở rộng quy mô, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu tối ưu hóa hiệu quả khai thác năng lượng tái tạo tại Việt Nam.