Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và tại Việt Nam liên tục gia tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống ngày càng cạn kiệt và làm tăng chi phí phát điện. Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đang trở thành giải pháp thay thế chủ đạo. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới với vĩ độ trải dài từ $8^\circ 27'$ đến $23^\circ 23'$ Bắc, sở hữu tiềm năng bức xạ mặt trời rất lớn. Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021–2030 (Quy hoạch điện VIII), cơ cấu công suất nguồn điện mặt trời được định hướng đạt 12.836 MW (chiếm 8,5% tổng công suất nguồn điện, không bao gồm điện mặt trời mái nhà hiện hữu), trong đó điện mặt trời tập trung là 10.236 MW và khuyến khích phát triển nguồn tự sản, tự tiêu; tầm nhìn đến năm 2050 định hướng công suất đạt mức 168.594–189.294 MW.

Để nâng cao sản lượng điện trên cùng một diện tích lắp đặt, nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu như phủ lớp nano silic dioxit (tăng hiệu suất khoảng 2–3%) hoặc sử dụng vật liệu composite hybrid (tăng hiệu suất lý thuyết đến 30% nhưng cần đánh giá thêm về độ an toàn và độ bền). Trong đó, giải pháp điều hướng tấm pin theo chuyển động của mặt trời (solar tracking) đã chứng minh khả năng tối ưu hóa góc tiếp nhận bức xạ, giúp tăng 25–35% sản lượng điện so với hệ thống giàn pin cố định. Trên thế giới, công nghệ tracking đã được triển khai tại các dự án quy mô lớn như Solar Star (Hoa Kỳ, 570 MW), Longyangxia Dam Solar Park (Trung Quốc, 850 MW), Noor Solar Complex (Maroc), Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park (UAE) và Kamuthi Solar Power Project (Ấn Độ). Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ điều hướng pin mặt trời vẫn còn hạn chế. Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế mô hình điều hướng pin quang điện 2 trục sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Xây dựng thuật toán tính toán vị trí mặt trời (Solar Position Algorithm - SPA) dựa trên tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) và mốc thời gian thực để xác định góc cao độ và góc phương vị.
  2. Thiết kế và chế tạo phần cứng hệ thống solar tracking 2 trục thụ động, bao gồm kết cấu cơ khí, tủ điện điều khiển, lựa chọn động cơ bước, bộ giảm tốc, mạch điều khiển và bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.
  3. Lập trình giải thuật điều khiển phát xung, giám sát qua giao diện SCADA/WinCC và tiến hành thử nghiệm thực nghiệm đo đạc so sánh hiệu suất thu năng lượng giữa hệ thống tracking 2 trục và hệ thống cố định.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều hướng pin mặt trời 2 trục (dual-axis tracking), bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, động cơ bước PK264_01B, driver TP6600, phần mềm TIA Portal và WinCC.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm với tấm pin quang điện công suất 20W (điện áp định mức 9V, kích thước $30 \times 40\text{ cm}$, khối lượng 1,5 kg). Hệ thống hoạt động theo phương pháp tracking thụ động (tính toán toán học theo lịch thiên văn, không dùng cảm biến quang trở LDR). Nghiên cứu không đi sâu vào các trường hợp thời tiết cực đoan như bão gió lớn, sự cố mất lưới điện, và không phân tích tính thương mại hóa của sản phẩm trên thị trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Hệ thống điện mặt trời cố định có ưu điểm chi phí thấp, kết cấu đơn giản và độ tin cậy cơ học cao, song hiệu suất quang điện bị suy giảm đáng kể vào các thời điểm sáng sớm và chiều muộn do góc tới của tia bức xạ lớn. Hệ thống tracking 1 trục cho phép xoay theo hướng Đông – Tây hoặc Nam – Bắc, trong khi hệ thống tracking 2 trục cho phép điều chỉnh đồng thời cả góc phương vị (trục ngang $X$) và góc cao độ/góc nghiêng (trục dọc $Y$), giúp bề mặt tấm pin luôn vuông góc với tia bức xạ mặt trời.

Vị trí của mặt trời được xác định thông qua các công thức hình học nhật tâm và địa tâm:

  • Góc xích kinh / góc lệch mặt trời ($\delta$) theo ngày thứ $N$ trong năm: $$\delta = 23{,}45^\circ \cdot \sin\left(\frac{360^\circ}{365} \cdot (284 + N)\right)$$
  • Góc giờ ($h$) được tính toán dựa trên thời gian mặt trời thực (Apparent Solar Time - AST).
  • Góc cao độ mặt trời ($\alpha$) theo vĩ độ địa phương ($L$), góc lệch ($\delta$) và góc giờ ($h$): $$\sin(\alpha) = \sin(L)\sin(\delta) + \cos(L)\cos(\delta)\cos(h)$$
  • Góc phương vị mặt trời ($z$): $$\sin(z) = \frac{\cos(\delta)\sin(h)}{\cos(\alpha)}$$ Dựa trên giá trị góc cao độ ($\alpha$) và góc phương vị ($z$), bộ điều khiển tính toán góc lệch cần bù để phát tín hiệu xung điều khiển hai trục động cơ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán giải tích: Sử dụng khối hàm tính toán thiên văn SPA tích hợp trong PLC để chuyển đổi dữ liệu thời gian thực và tọa độ địa lý thành góc đặt cơ khí.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm SolidWorks để dựng mô hình 3D cơ khí, tính toán lực mô-men xoắn cần thiết cho hệ truyền động; thiết kế mạch nguyên lý điện và bố trí tủ điện công nghiệp.
  • Phương pháp lập trình điều khiển tự động hóa: Sử dụng môi trường TIA Portal để lập trình PLC Siemens S7-1200 bằng ngôn ngữ Ladder/FBD, sử dụng các hàm phát xung tốc độ cao (PTO) điều khiển góc quay động cơ bước; thiết kế giao diện vận hành và giám sát HMI/SCADA trên WinCC.
  • Phương pháp thực nghiệm đối chứng: Lắp đặt đồng thời mô hình tracking 2 trục và giàn pin cố định trong cùng điều kiện bức xạ và nhiệt độ môi trường, đo đạc và ghi nhận các thông số điện áp, công suất theo từng mốc thời gian thực tế trong ngày.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kết cấu cơ khí và tính toán động lực học

Khung giá đỡ và các trục quay được mô phỏng trên phần mềm SolidWorks, đảm bảo độ cứng vững khi chịu tải trọng của tấm pin và lực cản của môi trường:

  • Mặt đế: Kết cấu thép/nhôm định hình cố định chắc chắn xuống sàn.
  • Thanh xoay trục ngang ($X$ - điều chỉnh góc phương vị Đông – Tây) và thanh xoay trục dọc ($Y$ - điều chỉnh góc nghiêng Nam – Bắc).
  • Tính toán mô-men xoắn: Tấm pin và cơ cấu quay có tổng khối lượng $m = 2\text{ kg}$, bán kính tay đòn $r = 0{,}15\text{ m}$. Mô-men xoắn cực đại cần thiết để nâng tấm pin từ góc $0^\circ$ lên $90^\circ$ được xác định theo công thức: $$\tau = (m \cdot g) \cdot r \cdot \sin(\theta) = (2 \cdot 9{,}81) \cdot 0{,}15 \cdot \sin(90^\circ) = 2{,}943\text{ N}\cdot\text{m}$$ Với động cơ bước PK264_01B có mô-men giữ $0{,}45\text{ kg}\cdot\text{cm}$ ($\approx 0{,}044\text{ N}\cdot\text{m}$), tỷ số truyền tối thiểu của hộp giảm tốc yêu cầu là $1/10$. Để đảm bảo khả năng giữ vị trí ổn định khi có tải trọng gió tác động, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn hộp số giảm tốc có tỷ số truyền $1/36$.

Cấu hình thiết bị phần cứng

Thiết bị / Thành phần Thông số kỹ thuật chi tiết Số lượng / Vai trò
Tấm pin quang điện (PV) Công suất: 20W; Điện áp: 9V; Kích thước: $30 \times 40\text{ cm}$; Khối lượng: 1,5 kg 01 tấm (hệ tracking) + 01 tấm (hệ cố định)
Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC; Nguồn cấp: 20,4–28,8V DC; Bộ nhớ làm việc: 100 KB; Bộ nhớ nạp: 4 MB; Tích hợp 14 DI / 10 DO (24V DC), 2 ngõ vào Analog 01 bộ điều khiển trung tâm
Động cơ chấp hành Động cơ bước Baomain PK264_01B; Động cơ 2 pha, 6 dây; Điện áp định mức: 5,7V DC; Kích thước mặt bích: 56,4 mm 02 bộ (điều khiển 2 trục $X$ và $Y$)
Bộ giảm tốc Hộp số hành tinh/bánh răng tỷ số truyền $1/36$ 02 bộ ghép trục động cơ
Driver điều khiển động cơ Driver TP6600; Điện áp đầu vào: 9V – 42V DC; Dòng tải tối đa: 4A; Kích thước: $96 \times 71 \times 37\text{ mm}$; Khối lượng: 0,2 kg 02 bộ
Nguồn cấp công nghiệp Nguồn xung tổ ong 24V DC – 5A 01 bộ cấp nguồn PLC, Driver và rơ-le
Vỏ tủ điện & Phụ kiện Tủ nhựa kích thước $40 \times 30 \times 20\text{ cm}$, thanh cài DIN-rail, máng cáp, domino đấu nối, nút nhấn, công tắc chuyển mạch, đèn báo trạng thái 01 hệ thống phân phối và bảo vệ

Cấu trúc chương trình PLC và giao diện SCADA

Chương trình điều khiển trên TIA Portal được tổ chức thành các khối chức năng chính:

  • Khối hàm tính toán vị trí mặt trời (SPA Function Block): Nhận các biến đầu vào gồm Vĩ độ địa phương (Latitude - Real), Giờ trong ngày (Hour - Real), Ngày trong năm (Day - Real); thực hiện thuật toán tính toán và xuất các thông số: Góc giờ mặt trời, Góc nghiêng mặt trời, Góc cao độ mặt trời, Góc phương vị (Azimuth, phân định sáng/chiều), Góc thiên đỉnh (Zenith) và Góc tia tới.
  • Khối hàm chuyển đổi và phát xung (PTO/PWM): Quy đổi sai lệch góc từ đơn vị độ ($^\circ$) sang số lượng xung cần phát, cấp chuỗi xung và tín hiệu hướng quay (Direction) đến 2 driver TP6600 để định vị góc quay trục $X$ và trục $Y$.
  • Khối bảo vệ và dừng hệ thống: Tự động khóa phát xung khi động cơ chạm công tắc hành trình hoặc khi nhận tín hiệu dừng khẩn cấp/báo lỗi từ hệ thống.
  • Giao diện SCADA/WinCC: Hiển thị góc quay thời gian thực của 2 trục, tọa độ mặt trời tính toán, trạng thái hoạt động của động cơ, các nút điều khiển chế độ Tự động/Bằng tay và cảnh báo lỗi hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về thực trạng tiêu thụ năng lượng hóa thạch và xu hướng phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới và tại Việt Nam. Phân tích tiềm năng năng lượng mặt trời theo vùng địa lý Việt Nam và định hướng quy mô công suất nguồn điện mặt trời theo Quy hoạch điện VIII. Đánh giá ưu nhược điểm của các giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin (phủ $SiO_2$, vật liệu composite hybrid, hệ thống điều hướng). Xác định mục tiêu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi ứng dụng và các giới hạn kỹ thuật của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Phân tích nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời cố định so với hệ thống solar tracking 1 trục và 2 trục. Thiết lập hệ thống công thức toán học tính toán chuyển động biểu kiến của mặt trời theo lịch thiên văn (góc lệch $\delta$, góc giờ $h$, góc cao độ $\alpha$, góc phương vị $z$). Trình bày kiến trúc phần cứng bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200 của hãng Siemens, tập lệnh lập trình trong phần mềm TIA Portal và cơ sở ứng dụng PLC trong bài toán điều khiển vị trí chuyển động tự động.

Chương 3: Thiết kế, chế tạo

Trình bày quy trình thiết kế hoàn chỉnh hệ thống:

  • Thiết kế kết cấu cơ khí 3D trên SolidWorks cho khung đế, cơ cấu quay trục $X$ (Đông – Tây) và trục $Y$ (Nam – Bắc).
  • Tính toán mô-men tải tĩnh và động lực học, lựa chọn động cơ bước Baomain PK264_01B kết hợp hộp giảm tốc tỷ số truyền $1/36$.
  • Lựa chọn thiết bị điện: PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, Driver động cơ bước TP6600, bộ nguồn xung 24VDC 5A, thiết bị đóng cắt và bảo vệ.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu dây, sơ đồ bố trí không gian bên trong tủ điện nhựa kích thước $40 \times 30 \times 20\text{ cm}$.
  • Xây dựng thuật toán tính toán vị trí mặt trời SPA, thuật toán quy đổi góc ra chuỗi xung điều khiển động cơ và thiết kế giao diện giám sát HMI/SCADA trên nền tảng WinCC.

Chương 4: Kết quả và thực nghiệm

Mô tả quá trình lắp ráp hoàn thiện mô hình cơ điện thực tế và bố trí thí nghiệm đối chứng giữa giàn pin tracking 2 trục và giàn pin cố định. Tiến hành ghi nhận thông số hoạt động, biểu đồ điện áp và sản lượng năng lượng thu được trong các ngày thực nghiệm (tiêu biểu là ngày 19/06/2024 và 20/06/2024). Phân tích, đánh giá độ ổn định của giải thuật điều khiển và độ chênh lệch hiệu suất năng lượng giữa hai hệ thống dưới các điều kiện thời tiết thực tế.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế cơ khí, giải thuật lập trình PLC, độ chính xác điều hướng và mức gia tăng hiệu suất năng lượng thu được từ mô hình. Chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện hữu và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện mô hình cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Quá trình vận hành thực nghiệm đối chứng giữa hệ thống solar tracking 2 trục điều khiển bằng PLC S7-1200 và hệ thống pin cố định (ghi nhận chi tiết trong các ngày 19/06/2024 và 20/06/2024) đem lại các kết quả định lượng cụ thể:

  • Giải thuật SPA tích hợp trong PLC tính toán chính xác góc cao độ và góc phương vị mặt trời theo thời gian thực, điều khiển động cơ bước xoay tấm pin bám sát quỹ đạo mặt trời.
  • Điện áp trung bình thu được từ hệ thống pin mặt trời điều hướng 2 trục cao hơn 8,5% so với hệ thống tấm pin đặt cố định trong cùng điều kiện bức xạ.
  • Cơ cấu cơ khí và bộ truyền động giảm tốc $1/36$ vận hành ổn định, không xảy ra hiện tượng trượt bước hay rung lắc trong quá trình định vị góc.

Đóng góp của đề tài

  • Thiết kế hoàn chỉnh mô hình điều hướng pin quang điện 2 trục sử dụng phương pháp tracking thụ động, vận hành hoàn toàn dựa trên dữ liệu tọa độ địa lý và thời gian thực mà không cần lắp đặt thêm cảm biến quang trở (LDR), giúp giảm thiểu chi phí phần cứng và loại bỏ sai số do cảm biến bị bụi bẩn, che khuất hoặc suy giảm độ nhạy theo thời gian.
  • Xây dựng thành công khối hàm tính toán SPA và giải thuật phát xung điều khiển vị trí chuyển động trực tiếp trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 và TIA Portal, cung cấp giải pháp điều khiển có độ ổn định và độ tin cậy công nghiệp cao.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế cơ khí, bảng tính toán mô-men xoắn, sơ đồ đấu nối điện và giao diện giám sát SCADA phục vụ mục đích nghiên cứu, học tập và thí nghiệm trong chuyên ngành Năng lượng tái tạo và Tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo phạm vi nghiên cứu được tác giả công bố trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế:

  • Mô hình được thiết kế ở quy mô phòng thí nghiệm với công suất tấm pin nhỏ (20W), kích thước gọn ($30 \times 40\text{ cm}$) nhằm phục vụ mục đích học tập và thử nghiệm giải thuật.
  • Hệ thống chưa tích hợp các cơ chế bảo vệ và ứng phó với các điều kiện thời tiết cực đoan như cảm biến đo tốc độ gió để tự động đưa tấm pin về vị trí nằm ngang an toàn khi có bão lớn.
  • Chưa có giải pháp dự phòng nguồn điện (pin lưu trữ/UPS) để duy trì hoạt động định vị của PLC và động cơ khi xảy ra sự cố mất nguồn cấp chính.
  • Đề tài chưa thực hiện đánh giá toàn diện về bài toán kinh tế, thời gian hoàn vốn (Payback Period) và tính khả thi thương mại hóa ở quy mô công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp kết cấu cơ khí và công suất động cơ để mở rộng thử nghiệm trên các tấm pin quang điện thương mại công suất lớn (từ 400W đến 600W).
  • Tích hợp thêm các cảm biến đo môi trường (cảm biến đo tốc độ/hướng gió, cảm biến đo bức xạ pyranometer, cảm biến nhiệt độ tấm pin) để hoàn thiện thuật toán bảo vệ tự động khi có giông bão và tối ưu hóa điều khiển.
  • Nghiên cứu kết hợp thuật toán tracking thụ động (theo lịch thiên văn) với tracking chủ động (tối ưu điểm công suất cực đại MPPT hoặc cảm biến quang) để nâng cao hơn nữa hiệu suất trong điều kiện trời nhiều mây, bức xạ tán xạ phức tạp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Năng lượng tái tạo: Tham khảo phương pháp tính toán quỹ đạo mặt trời (SPA), các thông số góc cao độ, góc phương vị, góc lệch xích kinh và phương pháp bố trí thực nghiệm so sánh sản lượng điện giữa hệ cố định và hệ tracking.
  • Sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo cấu trúc lập trình PLC Siemens S7-1200 trên TIA Portal, cách tổ chức khối hàm tính toán số thực, phương pháp phát xung điều khiển động cơ bước qua Driver công nghiệp, thiết kế sơ đồ đấu nối tủ điện và xây dựng giao diện SCADA giám sát trên WinCC.
  • Các nhóm nghiên cứu thiết bị cơ điện: Tham khảo phương pháp tính toán mô-men xoắn cơ khí và lựa chọn tỷ số truyền hộp giảm tốc cho các cơ cấu định vị xoay 2 trục chịu tải trọng tĩnh và động lực học.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng phương pháp solar tracking nào để định vị mặt trời?

Hệ thống sử dụng phương pháp tracking 2 trục thụ động (passive dual-axis tracking). Vị trí mặt trời được tính toán hoàn toàn bằng thuật toán giải tích SPA (Solar Position Algorithm) tích hợp trong PLC dựa trên tọa độ địa lý (vĩ độ) và mốc thời gian thực, không sử dụng cảm biến ánh sáng (quang trở LDR).

2. Bộ điều khiển chính và các thiết bị chấp hành trong mô hình gồm những gì?

Bộ điều khiển trung tâm là PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC. Thiết bị chấp hành gồm 02 động cơ bước 2 pha Baomain PK264_01B (kích thước mặt bích 56,4 mm, nguồn 5,7V DC), kết hợp 02 hộp giảm tốc tỷ số truyền $1/36$ và được điều khiển thông qua 02 bộ Driver động cơ bước TP6600 (dòng tải tối đa 4A).

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng hộp giảm tốc tỷ số truyền 1/36 cho động cơ bước?

Tấm pin và cơ cấu quay có tổng khối lượng 2 kg với chiều dài tay đòn 0,15 m, yêu cầu mô-men xoắn cực đại để nâng góc $90^\circ$ là $\tau = 2{,}943\text{ N}\cdot\text{m}$. Do động cơ bước PK264_01B có mô-men giữ $0{,}45\text{ kg}\cdot\text{cm}$ ($\approx 0{,}044\text{ N}\cdot\text{m}$), tỷ số truyền tối thiểu cần thiết là $1/10$. Tác giả chọn hộp số giảm tốc $1/36$ nhằm tăng lực kéo và đảm bảo độ cứng vững, chống rung lắc khi chịu tác động của tải trọng gió bên ngoài.

4. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất của hệ thống tracking chênh lệch bao nhiêu so với hệ cố định?

Kết quả đo đạc thực tế trong các đợt thực nghiệm (ghi nhận ngày 19/06/2024 và 20/06/2024) cho thấy hệ thống tracking 2 trục đạt mức điện áp trung bình thu được cao hơn 8,5% so với hệ thống pin quang điện đặt cố định.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời 2 trục sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp động cơ bước và hộp giảm tốc $1/36$. Giải thuật tính toán thiên văn SPA tích hợp trong PLC cho phép điều khiển tự động góc phương vị và góc cao độ theo thời gian thực với độ tin cậy cao, không phụ thuộc vào cảm biến quang học. Kết quả thực nghiệm chứng minh hệ thống tracking 2 trục giúp tăng điện áp trung bình thu được thêm 8,5% so với hệ thống pin cố định. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt kỹ thuật cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Cơ điện tử và Tự động hóa công nghiệp.