Đồ án: Giám sát và điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời - HCMUTE

Hướng dẫn thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời chi tiết. Tối ưu hiệu suất vận hành và quản lý điện năng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Vũ Đăng
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Phan Văn Ca
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát tấm pin năng lượng mặt trời

Hệ thống giám sát và điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời tích hợp công nghệ IoT và vi xử lý nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi quang điện. Hệ thống bao gồm ba khối chính: giám sát, điều khiển và truyền thông. Khối giám sát thu thập dữ liệu điện áp, dòng điện, nhiệt độ từ tấm pin và ắc quy thông qua cảm biến chuyên dụng. Khối điều khiển xử lý tín hiệu từ vi điều khiển (Arduino Nano, ESP32) để điều chỉnh góc nghiêng tấm pin theo hướng ánh sáng tối ưu, đồng thời quản lý quá trình sạc ắc quy. Khối truyền thông sử dụng module SIM7600 hoặc ESP8266 để gửi dữ liệu lên nền tảng đám mây hoặc hiển thị trên ứng dụng di động. Hệ thống hỗ trợ giám sát từ xa, cảnh báo sự cố và tối ưu hóa sản lượng điện năng.

1.1. Các thành phần cấu tạo hệ thống

Hệ thống bao gồm tấm pin năng lượng mặt trời công suất 300W, bộ điều khiển sạc PWM/MPPT, ắc quy lưu trữ 12V 100Ah, vi điều khiển Arduino Nano/ESP32, module giám sát ACS712 (đo dòng điện), cầu phân áp (đo điện áp), cảm biến nhiệt độ DS18B20, động cơ servo SG90 (điều chỉnh góc pin), module SIM7600 (truyền thông 4G) và ứng dụng hiển thị dữ liệu. Mạch in PCB được thiết kế với lớp đồng dày 1oz, kích thước 10x15cm, tích hợp bảo vệ quá dòng, quá áp. Nguồn cung cấp sử dụng adapter 12V 5A hoặc pin mặt trời dự phòng.

1.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Tấm pin chuyển đổi quang năng thành điện năng DC, cung cấp cho bộ điều khiển sạc. Bộ điều khiển điều chỉnh dòng sạc vào ắc quy theo chế độ PWM/MPPT, tránh sạc quá mức gây hỏng pin. Vi điều khiển liên tục đọc dữ liệu từ cảm biến, so sánh với ngưỡng an toàn (điện áp ắc quy <14.4V, nhiệt độ <50°C). Khi phát hiện bất thường (sụt áp, quá nhiệt), hệ thống kích hoạt cảnh báo qua module SIM7600 và điều chỉnh góc pin tối ưu bằng động cơ servo. Dữ liệu được lưu trữ trên thẻ nhớ SD và gửi lên Firebase/ThingSpeak mỗi 5 phút.

II. Phân tích các vấn đề trong giám sát tấm pin năng lượng

Hệ thống giám sát tấm pin năng lượng mặt trời đối mặt với ba vấn đề chính: hiệu suất chuyển đổi thấp do góc nghiêng không tối ưu, hao tổn năng lượng do sạc ắc quy không đúng cách, và thiếu cảnh báo kịp thời khi sự cố xảy ra. Vấn đề góc nghiêng ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện, đặc biệt vào buổi sáng và chiều tối khi ánh sáng chiếu xiên. Sạc ắc quy không đúng chế độ (thiếu giai đoạn sạc ổn áp) làm giảm tuổi thọ bình ắc quy xuống 50%. Thiếu hệ thống giám sát từ xa khiến người dùng không phát hiện kịp thời sự cố như đứt dây, rò rỉ điện hoặc quá nhiệt tấm pin. Ngoài ra, nhiễu tín hiệu từ môi trường công nghiệp cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến.

2.1. Thách thức về hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng phụ thuộc vào ba yếu tố: chất lượng tấm pin (hiệu suất 18-22%), góc nghiêng so với mặt trời, và nhiệt độ hoạt động. Theo nghiên cứu, mỗi 10°C tăng nhiệt độ trên 25°C sẽ làm giảm hiệu suất pin xuống 0.4-0.5%. Góc nghiêng tối ưu tại Việt Nam là 15-20° theo hướng Nam, nhưng thay đổi theo mùa. Hệ thống giám sát truyền thống không điều chỉnh kịp thời góc pin, dẫn đến mất 15-20% sản lượng điện hàng năm. Giải pháp đề xuất là sử dụng thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) kết hợp cảm biến ánh sáng quang điện trở.

2.2. Rủi ro về tuổi thọ ắc quy và an toàn hệ thống

Ắc quy axit-chì 12V 100Ah có tuổi thọ trung bình 3-5 năm nếu sạc đúng chế độ. Sạc quá mức (trên 14.4V) gây sôi dung dịch, mất nước, giảm dung lượng. Sạc dưới mức (dưới 10.8V) dẫn đến sunfat hóa điện cực, tăng điện trở trong. Thống kê cho thấy 70% ắc quy hỏng do sạc không đúng cách. Hệ thống giám sát cần tích hợp chế độ sạc 3 giai đoạn: bulk (sạc nhanh 80%), absorption (sạc ổn áp 15%), float (duy trì 5%). Ngoài ra, mạch bảo vệ quá dòng (30A) và chống ngược diode (MBR20100) là bắt buộc để tránh chập mạch.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống giám sát toàn diện

Thiết kế hệ thống giám sát tấm pin năng lượng mặt trời sử dụng kiến trúc vi điều khiển đa nhiệm kết hợp giao thức truyền thông không dây. Vi điều khiển ESP32 được lựa chọn do tích hợp WiFi/Bluetooth, tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ nhiều giao tiếp I2C/SPI. Hệ thống thu thập dữ liệu từ 5 cảm biến: ACS712 (dòng pin), cầu phân áp (điện áp pin), DS18B20 (nhiệt độ), BH1750 (cường độ ánh sáng), và biến trở (góc nghiêng). Dữ liệu được xử lý bằng thuật toán Kalman lọc nhiễu, sau đó điều khiển động cơ servo SG90 điều chỉnh góc pin tối ưu. Module SIM7600 gửi cảnh báo qua SMS/Zalo khi phát hiện bất thường. Nguồn cấp sử dụng pin mặt trời dự phòng 10W kết hợp adapter 12V 2A.

3.1. Lựa chọn linh kiện và mạch nguyên lý

Tấm pin sử dụng loại monocrystalline 300W hiệu suất 20%, diện tích 1.6m². Bộ điều khiển sạc MPPT 30A (ví dụ: EPEVER Tracer 3210AN) tối ưu hóa sản lượng điện bằng thuật toán MPPT. Ắc quy sử dụng loại gel 12V 100Ah chống rung, tuổi thọ 10 năm. Vi điều khiển ESP32-WROOM-32D tích hợp 4MB flash, hỗ trợ OTA update. Cảm biến ACS712 20A đo dòng pin với độ chính xác 1.5%, dải đo -20A đến 20A. Động cơ servo SG90 có độ phân giải 1°, tốc độ 0.1s/60°. Module SIM7600 hỗ trợ 4G LTE Cat 4, tiêu thụ 350mA ở chế độ hoạt động.

3.2. Tích hợp thuật toán điều khiển thông minh

Thuật toán điều khiển sử dụng phương pháp theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) kết hợp điều chỉnh góc pin theo cường độ ánh sáng. Cảm biến BH1750 đo lux (0-65535) gửi về ESP32, so sánh với ngưỡng 50000 lux (ánh sáng mặt trời mạnh). Nếu cường độ giảm 30% trong 10 phút, hệ thống kích hoạt động cơ servo điều chỉnh góc pin 5° theo hướng ánh sáng. Thuật toán sạc 3 giai đoạn điều chỉnh dòng sạc dựa trên điện áp ắc quy: giai đoạn bulk (14.2V, 20A), absorption (14.4V, 5A), float (13.6V, 0.5A). Dữ liệu được lưu trữ trên thẻ nhớ SD 8GB và gửi lên Firebase mỗi 5 phút.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn hệ thống

Hệ thống giám sát và điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời nâng cao hiệu suất chuyển đổi lên 25% và kéo dài tuổi thọ ắc quy lên 50% nhờ tích hợp thuật toán MPPT và sạc 3 giai đoạn. Ứng dụng thực tiễn cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ 0-50°C, độ ẩm 0-90%, chống nhiễu tốt. Chi phí đầu tư ban đầu khoảng 15 triệu đồng (tấm pin 5 triệu, linh kiện 7 triệu, lắp đặt 3 triệu), hoàn vốn sau 3-4 năm nhờ tiết kiệm điện lưới. Hệ thống phù hợp cho gia đình, doanh nghiệp vừa và nhỏ, trang trại năng lượng mặt trời. Tương lai, có thể mở rộng tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) dự đoán sản lượng điện theo thời tiết, tối ưu hóa góc pin theo mùa.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường

Hệ thống giúp tiết kiệm 300-500kWh điện/năm, tương đương 1.2-2 triệu đồng (giá điện 4000đ/kWh). Giảm phát thải CO2 200-300kg/năm nhờ thay thế năng lượng hóa thạch. Tuổi thọ ắc quy tăng từ 3 năm lên 5 năm nhờ sạc đúng chế độ, giảm 40% chi phí thay thế. ROI (Return on Investment) đạt 25-30% sau 5 năm. Hệ thống cũng hỗ trợ giám sát từ xa qua ứng dụng di động, cảnh báo sự cố tức thời, giảm thời gian ngừng hoạt động xuống dưới 1 giờ.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Các cải tiến tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) dự đoán sản lượng điện dựa trên dữ liệu thời tiết (nhiệt độ, mây che phủ) từ API OpenWeatherMap. Thuật toán học máy (Machine Learning) sẽ tối ưu hóa góc pin theo mùa, thay đổi 4 lần/năm thay vì điều chỉnh thủ công. Mở rộng khả năng lưu trữ dữ liệu trên đám mây (Google Cloud, AWS) với dung lượng 10TB, hỗ trợ phân tích Big Data. Tích hợp blockchain để xác thực dữ liệu năng lượng, phục vụ thị trường năng lượng tái tạo phi tập trung. Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng tấm pin perovskite thay thế silicon để nâng cao hiệu suất lên 30%.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng sạch tại Việt Nam. Khu vực phía Nam và Thành phố Hồ Chí Minh có tiềm năng bức xạ mặt trời lớn, dao động từ 2200 đến 2500 $\text{W/m}^2$, với số giờ nắng trung bình ổn định từ 2000 đến 2600 giờ/năm ngay cả trong mùa mưa. Đa số các hệ thống quang điện dân dụng và công nghiệp hiện nay sử dụng giàn pin lắp đặt cố định trên mái nhà hoặc mặt đất. Hạn chế của kết cấu cố định là tấm pin chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi quang - điện tối đa vào thời điểm ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt tiếp nhận; tại các thời điểm khác trong ngày, góc chiếu xiên làm suy giảm đáng kể lượng quang năng thu nhận. Để giải quyết vấn đề này, việc xây dựng hệ thống điều khiển tự động xoay tấm pin bám theo vị trí mặt trời (solar tracker) là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm tối ưu hóa năng lượng phát ra.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Nâng cao khả năng chuyển đổi điện năng của tấm pin bằng cách điều khiển tấm pin luôn quay vuông góc với ánh nắng mặt trời.
2. Cho phép người dùng giám sát các thông số hoạt động của hệ thống.
3. Thiết kế, thi công mô hình hệ thống điều khiển pin mặt trời và lưu trữ điện năng vào bình ắc quy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển vị trí tấm pin quang điện 2 trục (East - West, North - South), mạch điều khiển nạp xả ắc quy và hệ thống giám sát từ xa.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc mô hình hóa hệ thống phục vụ mục đích học tập và nghiên cứu; sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ (20W loại đơn tinh thể) để nhận diện góc quay và thu năng lượng; thiết kế mạch nạp điện cho ắc quy 12V-5Ah và hiển thị thông số dòng, áp, nhiệt độ lên màn hình LCD 20x4 kết hợp truyền tin cảnh báo qua module mạng di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý vật lý và kỹ thuật điều khiển tự động:

• Bức xạ mặt trời và hiệu ứng quang điện: Hiện tượng giải phóng electron khỏi vật chất bán dẫn khi hấp thụ năng lượng photon từ ánh sáng mặt trời (hiệu ứng Hertz).
• Phân loại hệ thống điện mặt trời: Hệ thống hòa lưới (kết nối trực tiếp biến tần vào lưới điện quốc gia), hệ thống độc lập lưới (lưu trữ điện qua ắc quy phục vụ vùng sâu, vùng xa), và hệ thống tương tác lưới (kết hợp cả hai hình thức).
• Cơ chế bám nắng (Solar Tracker): Hệ thống 1 trục (quay theo trục Đông - Tây, tăng khoảng 24,78% hiệu suất so với hệ thống cố định) và hệ thống 2 trục (quay đồng thời theo trục Đông - Tây và Bắc - Nam, cho hiệu suất cao hơn nhưng đòi hỏi kết cấu phức tạp).
• Cấu tạo và công nghệ sạc ắc quy: Nghiên cứu công nghệ nạp ắc quy axit-chì 3 giai đoạn gồm nạp dòng lớn (Bulk) đạt 70–90% dung lượng với điện áp đỉnh 14,4V; nạp ổn áp giảm dần dòng sạc chống nóng và phồng bình; nạp thả nổi duy trì điện áp (Float) ở mức 13,8V với dòng nhỏ để giữ đầy điện áp mà không làm giảm tuổi thọ.
• Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM): Thay đổi chu kỳ xung (duty cycle) để điều chỉnh điện áp trung bình cấp cho tải, tối ưu công suất chuyển mạch và hạn chế sụt áp.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

• Phương pháp phân tích và mô phỏng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, kiểm tra sự tương thích linh kiện trên phần mềm mô phỏng Proteus (môi trường ISIS để vẽ mạch nguyên lý và ARES để thiết kế mạch in PCB); lập trình thuật toán điều khiển trên môi trường Arduino IDE.
• Phương pháp thực nghiệm và chế tạo phần cứng: Gia công mạch in bằng phương pháp in ủi nhiệt, hàn linh kiện lên bo mạch PCB; gia công cơ khí khung đỡ hai trục sử dụng cơ cấu trục vít - bánh răng và khớp nối trục; lắp ráp module cảm biến quang trở (LDR), cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, cảm biến nhiệt độ và thử nghiệm thực tế ngoài trời để đo đạc thông số.
• Nguồn dữ liệu: Giáo trình vi xử lý, bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện bán dẫn và cảm biến, số liệu bức xạ mặt trời tại khu vực phía Nam và TP. Hồ Chí Minh.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm hai khối xử lý trung tâm riêng biệt để đảm bảo tính độc lập và ổn định khi vận hành.

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

1. Khối mạch sạc và giám sát nguồn:

   • Vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ATmega328P trên bo mạch Arduino Nano.
   • Khối cảm biến đo lường: Cảm biến dòng điện Hall ACS712 đo dòng điện từ tấm pin và dòng nạp/xả ắc quy; cảm biến điện áp sử dụng mạch cầu phân áp với hai điện trở $R_1 = 100,\text{k}\Omega$ và $R_2 = 20,\text{k}\Omega$ đưa tín hiệu về chân analog A0, A1 của vi điều khiển; cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 giám sát nhiệt độ bình ắc quy.
   • Mạch công suất và bảo vệ: Transistor C1815 kết hợp Mosfet kênh P IRF4905 để đóng cắt dòng nạp theo xung PWM tại chân D3 (tần số thiết lập 980,39 Hz); Diode chống quá áp P6KE mắc song song ngõ vào tấm pin; Diode Schotkky MBR20100 ngăn dòng điện chạy ngược từ ắc quy về tấm pin vào ban đêm.
   • Khối hiển thị và cảnh báo: Màn hình LCD 20x4 kết nối qua giao tiếp I2C; cụm 3 LED báo hiệu trạng thái (Đỏ: ắc quy $<12\text{V}$; Xanh lá: ắc quy $12\text{V} - 14,4\text{V}$; Xanh dương: ắc quy $\ge 14,4\text{V}$).
   • Nguồn hạ áp nuôi mạch sạc: Module hạ áp xung MP1584 chuyển đổi nguồn 12VDC từ ắc quy thành nguồn 5VDC (dòng danh định 2A).

2. Khối điều khiển động cơ và truyền thông:

   • Vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ATmega328P trên bo mạch Arduino Uno R3.
   • Cảm biến hướng sáng: Cụm 4 quang điện trở (LDR) bố trí tại 4 góc (A0, A1, A2, A3) ngăn cách bởi vách chia để nhận diện cường độ ánh sáng chiếu vào từ các hướng trên, dưới, trái, phải.
   • Cơ cấu chấp hành: 2 động cơ Servo MG996R có lực kéo lớn (moment xoắn 8,5 kg·cm ở khoảng cách 1cm) điều khiển chuyển động hai trục X và Y.
   • Khối truyền thông di động: Module SIM800C gửi tin nhắn SMS cảnh báo khi điện áp tấm pin sụt giảm bất thường hoặc bị che khuất; sử dụng diode 1N4007 hạ áp nguồn 5V xuống khoảng 4,3V–4,4V để cấp nguồn riêng phù hợp với dải hoạt động của module SIM.
   • Nguồn cấp động cơ: Sử dụng 2 module hạ áp xung 4015 (dòng tối đa 5A mỗi module) để tách nguồn tải công suất cho 2 động cơ servo và module SIM, tránh sụt áp hệ thống vi điều khiển.

3. Cơ cấu cơ khí giá đỡ:

   • Thiết kế giá đỡ hai trục đặt trên mặt đất, sử dụng bộ truyền động trục vít - bánh răng và khớp nối trục. Cơ cấu trục vít - bánh răng có đặc tính tự hãm (truyền động một chiều từ trục vít sang bánh răng), ngăn chặn hiện tượng tấm pin bị tự xoay hoặc rung lắc dưới tác động của gió bão và ngoại lực.

Thông số linh kiện	Lựa chọn thiết kế	Thông số kỹ thuật chính	Lý do lựa chọn
Tấm pin năng lượng mặt trời	Loại Monocrystalline (Mono)	Công suất $20\text{W}$, $V_{mp} = 18\text{V}$, $I_{mp} = 1,11\text{A}$, $V_{oc} = 21,6\text{V}$, $I_{sc} = 1,18\text{A}$	Hiệu suất chuyển đổi cao, giá thành hợp lý ở phân khúc công suất nhỏ
Ắc quy lưu trữ	Ắc quy xe máy $12\text{V} - 5\text{Ah}$	Dung lượng $60\text{Wh}$ ($0,06\text{kWh}$), điện áp danh định $12\text{V}$	Phù hợp khả năng nạp của tấm pin $20\text{W}$ trong 4 giờ nắng đỉnh
Vi điều khiển	ATmega328P (Arduino Uno / Nano)	Kiến trúc 8-bit, nguồn 5VDC, 6 chân PWM, 6/8 chân ADC 10-bit	Dễ lập trình, đầy đủ chân ngoại vi, chi phí thấp
Động cơ điều hướng	Servo MG996R	Điện áp $4,8\text{V} - 7,2\text{V}$, moment xoắn $8,5 - 10,\text{kg}\cdot\text{cm}$	Moment xoắn đủ lớn để kéo khung đỡ và tấm pin tải trọng 4kg
Module truyền tin	SIM800C	Điện áp $3,4 - 4,4\text{VDC}$, băng tần GSM 850/900/1800/1900 MHz	Hỗ trợ điều khiển bằng tập lệnh AT, đáp ứng nhu cầu gửi SMS cảnh báo
Cảm biến dòng điện	ACS712	Dải đo $\pm 5\text{A}$, độ chính xác $\pm 1%$, ngõ ra analog	Hoạt động ở mức 5V, giá thành thấp, đo được dòng DC
Cảm biến nhiệt độ	DS18B20	Dải đo $-55^\circ\text{C}$ đến $+125^\circ\text{C}$, giao tiếp 1-Wire	Độ chính xác cao, thời gian đáp ứng nhanh, chống nước

Thuật toán điều khiển hệ thống

• Thuật toán bám nắng: Vi điều khiển so sánh giá trị điện áp đọc từ các cặp quang trở. Cặp quang trở $A_1, A_0$ so sánh với $A_3, A_2$ để điều khiển góc quay trục X (nâng/hạ góc nghiêng). Cặp quang trở $A_1, A_3$ so sánh với $A_0, A_2$ để điều khiển góc quay trục Y (quay hướng Đông/Tây). Khi có sự chênh lệch ánh sáng vượt ngưỡng thiết lập, vi điều khiển cấp xung điều khiển động cơ servo xoay khung đỡ về phía có cường độ bức xạ cao hơn cho đến khi đạt trạng thái cân bằng.
• Thuật toán nạp và điều khiển tải: Vi điều khiển liên tục đọc điện áp tấm pin ($V_{SOLAR}$) và điện áp ắc quy ($V_{BAT}$). Nếu $V_{SOLAR} < 10\text{V}$, mạch ngắt nạp để bảo vệ và cho phép xả tải nếu $V_{BAT} > 11,5\text{V}$. Khi $V_{SOLAR} \ge 10\text{V}$ và $V_{BAT} < 14,4\text{V}$, hệ thống kích hoạt chế độ nạp nhanh với độ rộng xung PWM cực đại (giá trị 252/255, tương đương duty cycle $\approx 99%$). Khi $V_{BAT} \ge 14,4\text{V}$, xung PWM được điều chỉnh giảm dần về 0 để chuyển sang chế độ nạp thả nổi duy trì ở mức $13,8\text{V}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Tác giả phân tích nhược điểm cố hữu của các hệ thống pin mặt trời cố định và đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống quay hai trục tự động bám hướng nắng kết hợp bộ nạp ắc quy và giám sát thông số. Chương này xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình công suất nhỏ và phác thảo bố cục toàn bộ khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp hệ thống lý thuyết về năng lượng bức xạ mặt trời, cơ chế phát sinh dòng điện qua hiệu ứng quang điện và phân tích các mô hình hệ thống điện mặt trời (hòa lưới, độc lập, tương tác lưới). Tác giả so sánh ưu nhược điểm giữa hệ thống bám nắng 1 trục và 2 trục; trình bày phân loại các dòng ắc quy (axit-chì, kiềm, lithium) cùng quy trình nạp 3 giai đoạn tiêu chuẩn. Đồng thời, chương 2 làm rõ nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) và giới thiệu hai công cụ phần mềm phục vụ thiết kế: môi trường lập trình Arduino IDE và phần mềm thiết kế, mô phỏng Proteus (ISIS và ARES).

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật của khóa luận, bao gồm:

• Xác định yêu cầu kỹ thuật: Đo lường dòng, áp với sai số $\le 1%$, công suất tiêu thụ của hệ thống khoảng $36,8\text{W}$, điều khiển động cơ tự động theo hướng nắng, ngắt sạc bảo vệ ắc quy và xuất nguồn dự phòng 5VDC, 220VAC.
• Tính toán công suất và chọn lựa linh kiện: Lựa chọn tấm pin Mono 20W đáp ứng nhu cầu nạp bình ắc quy 12V-5Ah ($60\text{Wh}$); tính toán phân bổ dòng tiêu thụ cho từng mạch (mạch sạc tiêu thụ tổng dòng $391\text{mA}$; mạch điều khiển động cơ tiêu thụ đỉnh $7130\text{mA}$ khi kích hoạt 2 động cơ servo và module SIM); lựa chọn các IC hạ áp MP1584 và XL4015 tương ứng.
• Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in PCB: Thiết lập sơ đồ nguyên lý cho mạch sạc, mạch điều khiển động cơ, mạch cảm biến ánh sáng; gia công ủi mạch, sắp xếp và hàn gắn linh kiện thực tế lên bo mạch.
• Thi công cơ khí: Chế tạo khung đỡ hai trục truyền động bằng cơ cấu trục vít - bánh răng kết hợp khớp nối trục.

Chương 4: Kết quả thực hiện, nhận xét và đánh giá

Chương 4 công bố kết quả chế tạo mô hình thực tế và đánh giá hiệu năng hệ thống qua thực nghiệm:

• Mô hình phần cứng hoàn chỉnh vận hành ổn định, tự động xoay chuyển góc đón sáng chính xác theo vị trí nguồn sáng thực tế.
• Màn hình LCD 20x4 hiển thị trực quan các giá trị dòng điện, điện áp của tấm pin, ắc quy và nhiệt độ môi trường.
• Hệ thống thực hiện ngắt nạp khi ắc quy đầy và ngắt xả khi ắc quy yếu đúng theo thuật toán.
• Kết quả đo đạc điện áp ngõ ra của tấm pin được đối sánh giữa hai trạng thái có điều hướng và không điều hướng, khẳng định khả năng tối ưu công suất của cơ cấu bám nắng hai trục.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các mục tiêu đã đạt được trong việc thiết kế, chế tạo mạch phần cứng, lập trình thuật toán điều khiển và thi công khung cơ khí. Tác giả chỉ ra các điểm còn tồn tại của mô hình và đề xuất các định hướng phát triển nhằm nâng cao tính ứng dụng của đề tài trong thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm: Mạch điều khiển sạc vi xử lý ATmega328P, mạch điều khiển động cơ hai trục, cụm 4 cảm biến quang trở đo hướng sáng, mạch hiển thị LCD 20x4 và khung cơ khí giá đỡ hai trục.
• Mạch sạc thực thi chính xác thuật toán PWM 3 giai đoạn: Nạp dòng lớn với độ rộng xung cực đại (duty cycle 99%, giá trị thanh ghi 252/255 tại tần số 980,39 Hz), tự động giảm dần chu kỳ nạp khi điện áp ắc quy đạt $14,4\text{V}$ và duy trì sạc thả nổi ổn định ở mức $13,8\text{V}$.
• Hệ thống bảo vệ nguồn vận hành đúng logic: Tự động ngắt nạp khi điện áp tấm pin $<10\text{V}$, ngắt tải xả khi điện áp bình $<11,5\text{V}$ và báo hiệu qua hệ thống 3 LED màu.
• Module SIM800C gửi tin nhắn cảnh báo đến số điện thoại người dùng khi tấm pin bị che khuất hoặc có sự cố suy giảm công suất.
• Thực nghiệm so sánh điện áp tạo ra giữa hệ thống có điều hướng và không có điều hướng chứng minh khả năng cải thiện trên 20% hiệu suất thu nhận năng lượng của hệ thống xoay tự động.

Đóng góp của đồ án:

• Hiện thực hóa mô hình bám nắng hai trục sử dụng vi điều khiển giá thành thấp, tích hợp đồng thời chức năng điều hướng cơ khí, quản lý nạp ắc quy thông minh và truyền thông báo lỗi qua mạng viễn thông.
• Cung cấp giải pháp cơ cấu cơ khí chống phản lực gió hiệu quả thông qua bộ truyền trục vít - bánh răng, hạn chế biến dạng và trượt góc quay trong quá trình vận hành ngoài trời.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Hệ thống chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm công suất nhỏ ($20\text{W}$), phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.
• Bộ nghịch lưu (inverter) 12VDC sang 220VAC đi kèm mô hình chỉ tạo ra dạng sóng vuông (square wave), chưa tạo được sóng sin chuẩn (pure sine wave) do hạn chế về kinh phí linh kiện, do đó chưa tương thích tốt với các tải cảm ứng công nghiệp.
• Mạch điều khiển động cơ tiêu thụ dòng đỉnh khá lớn ($7130\text{mA}$), đòi hỏi phải sử dụng nhiều module hạ áp riêng biệt.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Nâng cấp bộ nghịch lưu DC-AC sử dụng công nghệ biến tần tạo sóng sin chuẩn tần số $50\text{Hz}$ để cấp nguồn an toàn cho các thiết bị điện tử gia dụng.
• Mở rộng quy mô công suất của hệ thống phần cứng và mạch điều khiển sạc để tương thích với các giàn pin mặt trời công suất lớn ($>100\text{W}$) và hệ ắc quy dung lượng cao.
• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển động cơ, bổ sung chế độ ngủ (sleep mode) khi cường độ ánh sáng không đổi để giảm thiểu điện năng tự tiêu thụ của hệ thống.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

• Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn thông: Tham khảo thiết kế mạch giao tiếp vi điều khiển ATmega328P với module GSM SIM800C, cảm biến dòng ACS712, cảm biến nhiệt độ 1-Wire DS18B20 và lập trình điều chế độ rộng xung PWM điều khiển Mosfet công suất.
• Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo thuật toán xử lý tín hiệu chênh lệch từ mảng cảm biến quang trở (LDR) để điều khiển động cơ chấp hành theo hai trục tọa độ.
• Cơ điện tử và Năng lượng tái tạo: Tham khảo giải pháp tính toán thiết kế kết cấu cơ khí giá đỡ bám nắng sử dụng bộ truyền trục vít - bánh răng tự hãm và phương pháp tính toán cân bằng công suất giữa tấm pin quang điện và ắc quy lưu trữ.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý xác định hướng sáng để điều khiển hai động cơ servo hoạt động như thế nào? Hệ thống sử dụng 4 quang điện trở ($A_0, A_1, A_2, A_3$) phân bố ở 4 góc của cụm cảm biến. Tín hiệu điện áp ngõ ra từ các quang trở được đưa vào các chân analog của vi điều khiển ATmega328P. Để điều khiển động cơ trục X (lên/xuống), vi điều khiển so sánh tổng điện áp của cặp quang trở trên ($A_1, A_0$) với cặp quang trở dưới ($A_3, A_2$). Để điều khiển động cơ trục Y (trái/phải), vi điều khiển so sánh cặp quang trở bên trái ($A_1, A_3$) với cặp quang trở bên phải ($A_0, A_2$). Động cơ servo tương ứng sẽ quay về hướng của cặp quang trở nhận được cường độ ánh sáng cao hơn.

2. Mạch đo điện áp của tấm pin và ắc quy được thiết kế với thông số nào để đưa vào chân analog của Arduino? Cổng analog của Arduino chỉ cho phép đọc điện áp một chiều trong khoảng $0 - 5\text{V}$ (tương ứng với giá trị ADC từ $0 - 1023$). Để đo được điện áp lớn hơn từ tấm pin ($V_{oc} = 21,6\text{V}$) và ắc quy ($12\text{V} - 14,4\text{V}$), hệ thống sử dụng mạch cầu phân áp gồm hai điện trở $R_1 = 100,\text{k}\Omega$ và $R_2 = 20,\text{k}\Omega$. Tỷ số phân áp là $\frac{R_2}{R_1 + R_2} = \frac{20}{120} = \frac{1}{6}$, cho phép hạ mức điện áp đo về ngưỡng an toàn dưới $5\text{V}$. Giá trị điện áp thực tế được tính toán theo công thức: $V_{in} = \text{Giá trị ADC} \times \left(\frac{5}{1024}\right) \times \left(\frac{R_1 + R_2}{R_2}\right)$.

3. Thuật toán sạc ắc quy 3 giai đoạn bằng phương pháp PWM được cấu hình cụ thể ra sao trên vi điều khiển? Tại chân D3 của ATmega328P, thanh ghi TCCR2B được cấu hình bằng lệnh TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | 0x03 để tạo xung PWM ở tần số $980,39\text{ Hz}$. Ở giai đoạn nạp nhanh (Bulk), vi điều khiển xuất giá trị PWM là 252 (tương đương 99% của giá trị cực đại 255) nhằm nạp dòng lớn cho ắc quy đến mức $14,4\text{V}$. Khi ắc quy đạt $14,4\text{V}$, vi điều khiển giảm dần độ rộng xung để thực hiện giai đoạn sạc ổn áp. Khi ắc quy đầy, hệ thống chuyển sang chế độ sạc thả nổi (Float) duy trì ở mức điện áp $13,8\text{V}$ với dòng sạc nhỏ để bảo vệ ắc quy không bị nóng hoặc phồng.

4. Giải pháp hạ áp và cấp nguồn cho module SIM800C và 2 động cơ servo MG996R được thiết kế như thế nào để tránh thiếu dòng? Module SIM800C yêu cầu dải điện áp hoạt động từ $3,4\text{V}$ đến $4,4\text{VDC}$ và có dòng đỉnh khi truyền dữ liệu lên tới $2\text{A}$. Nhóm nghiên cứu sử dụng một diode 1N4007 để tạo mức sụt áp từ nguồn 5V xuống khoảng $4,3\text{V}$ cấp riêng cho SIM800C. Đối với 2 động cơ servo MG996R, do tổng dòng tiêu thụ đỉnh của toàn mạch điều khiển động cơ lên tới $7130\text{mA}$ ($5\text{A}$ cho hai động cơ, $2\text{A}$ cho module SIM và $130\text{mA}$ cho vi điều khiển cùng cảm biến), hệ thống sử dụng 2 module hạ áp xung XL4015 (mỗi module chịu dòng danh định $5\text{A}$) để phân tải nguồn độc lập, chống hiện tượng sụt áp làm reset vi điều khiển.

5. Vì sao cơ cấu cơ khí của giá đỡ lại lựa chọn bộ truyền động trục vít - bánh răng? Tấm pin và khung đỡ có khối lượng khoảng $4\text{kg}$, khi lắp đặt ngoài trời sẽ chịu tác động liên tục của gió và các ngoại lực môi trường. Cơ cấu trục vít - bánh răng có nguyên lý truyền chuyển động một chiều từ trục vít sang bánh răng nhưng không cho phép chiều ngược lại (tính tự hãm). Thiết kế này giúp khóa cứng vị trí góc nghiêng của tấm pin sau khi động cơ dừng quay, ngăn ngừa hiện tượng gió làm trượt góc hoặc quay ngược gây hư hại cơ cấu truyền động và giảm hiệu suất đón sáng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình hệ thống giám sát và điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời hai trục tích hợp sạc ắc quy tự động. Thông qua việc kết hợp các cảm biến quang trở, cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp và thuật toán nạp PWM 3 giai đoạn trên vi điều khiển ATmega328P, hệ thống đã tối ưu hóa hiệu suất thu nhận quang năng và quản lý lưu trữ điện năng an toàn. Mô hình phần cứng và cơ chế truyền tin cảnh báo qua mạng GSM đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đặt ra, tạo nền tảng tư liệu thực nghiệm giá trị cho các nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài. - Đặt ra vấn đề và giới thiệu đề tính cấp thiết của đề tài. - Đặt ra mục đích, phạm vi và phương pháp nghiên cứu từ đó nêu ra các chức năng cần thiết của hệ thống. Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

- Giới thiệu tổng quan về khái niệm, các lý thuyết về phần cứng và phần mềm liên quan đến hệ thống. Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống. - Nhận diện yêu cầu sản phẩm và đề ra các yêu cầu kỹ thuật. - Đề ra kiến trúc hệ thống (sơ đồ khối) từ đó đi vào thiết kế từng khối cụ thể.

- Lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu hệ thống và vẽ sơ đồ nguyên lý. - Thi công hệ thống. Chương 4: Kết quả thực hiện, nhận xét và đánh giá. - Trình bày kết quả mô hình.

- Nhận xét và đánh giá ưu nhược điểm. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. - Nêu lên định hướng phát triển của hệ thống. 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Tổng quan về hệ thống điện mặt trời 2. Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời bao gồm năng lượng dưới dạng bức xạ ánh sáng và dưới dạng nhiệt từ mặt trời. Ở quá khứ, một trong những người đầu tiên đã ứng dụng năng lượng mặt trời đó là nhà hình học Archimedes. Ông ta đã sử dụng một tấm gương để đốt cháy tàu chiến của địch để bảo vệ quê nhà [1].

Bức xạ mặt trời Hình 2.1: Nhà hình học Archimedes dùng bức xạ mặt trời đốt cháy thuyền địch Bức xạ mặt trời còn được gọi là bức xạ điện từ là các dòng năng lượng do mặt trời phát ra. Năng lượng của bức xạ mặt trời trên một đơn vị diện tích được biểu diễn bằng Wat/m2. Nước ta là một trong những nước có tiềm năng về điện mặt trời, đặc biệt là ở phía Nam và thành phố Hồ Chí Minh nguồn bức xạ mặt trời từ 2200 đến 2500 Wat/m2 do có mặt trời chiếu quanh năm số giờ nắng trung bình từ 2000 đến 2600 giờ nắng, ổn định kể cả vào mùa mưa [2]. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện còn được gọi với một cái tên khác đó là hiệu ứng Hertz và đó cũng chính là tên của nhà khoa học Heinrich Hetz.

Ông ta định nghĩa đây là một 3 hiện tượng mà khi vật chất hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng, các điện tử thoát ra khỏi vật chất đó và làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích sau đó bắn electron ra ngoài [3].2: Minh họa hiệu ứng quang điện 2. Điện mặt trời Hiện nay có 3 hệ thống điện mặt trời phổ biến như: điện mặt trời hòa lưới, điện mặt trời độc lập lưới, điện mặt trời tương tác lưới. Đầu tiên là điện mặt trời hòa lưới, bằng cách sử dụng tấm pin mặt trời ta tạo ra được dòng điện một chiều DC [5]. Để có thể có được nguồn điện AC dùng trong sinh hoạt ta dùng thiết bị inverter hay còn gọi là biến tần để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều.

Nguồn điện AC từ điện mặt trời sẽ được cấp song song với lưới điện quốc gia. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới được minh họa ở hình 2.3: Minh họa điện mặt trời hòa lưới Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ thống giống như điện mặt trời hòa lưới như khác ở chỗ có thể lưu trữ điện năng lại để sử dụng mà không cần dùng đến lưới điện quốc gia. Ưu điểm của hệ thống này là phù hợp với các vùng không có điện lưới quốc gia hay có nhưng chập chờn, thường mất điện. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới được minh họa ở hình 2.