Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình tưới cây tự động hoạt động bằng năng lượng mặt trời

Đồ án thiết kế mô hình tưới cây tự động dùng năng lượng mặt trời tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trần Đắc Duy
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Thị Minh Thư
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình tưới cây tự động hoạt động bằng năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình tưới cây tự động bằng năng lượng mặt trời

Mô hình tưới cây tự động bằng năng lượng mặt trời là hướng nghiên cứu ứng dụng nổi bật tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đề tài được thực hiện bởi nhóm sinh viên chuyên ngành Năng lượng Tái tạo thuộc Khoa Cơ Khí Động Lực, dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Thị Minh Thư. Hệ thống kết hợp hai công nghệ cốt lõi: điện mặt trời độc lập (Off Grid) và điều khiển tưới tự động thông minh. Tấm pin quang điện hấp thụ bức xạ mặt trời, chuyển hóa thành điện năng lưu trữ trong acquy. Nguồn điện này vận hành máy bơm và bộ điều khiển cảm biến độ ẩm đất. Khi độ ẩm xuống dưới ngưỡng cài đặt, hệ thống tự động kích hoạt bơm tưới. Toàn bộ quá trình không cần lưới điện quốc gia. Đây là giải pháp phù hợp với vùng nông thôn, khu vực thiếu điện và môi trường canh tác ngoài trời. Góc nghiêng tấm pin được tối ưu ở 13 độ, giúp thu bức xạ đạt 1808 kWh/m² mỗi năm theo mô phỏng trên phần mềm PVsyst. Mô hình chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng năng lượng tái tạo vào nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

1.1. Bối cảnh và lý do hình thành đề tài nghiên cứu

Nông nghiệp Việt Nam đang đối mặt với tình trạng thiếu nước tưới và chi phí điện năng ngày càng tăng. Hệ thống tưới truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào điện lưới và lao động thủ công, gây lãng phí nước và tốn kém nhân lực. Trước thực trạng đó, nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đề xuất mô hình tích hợp năng lượng mặt trời với tự động hóa tưới tiêu. Mục tiêu là xây dựng hệ thống độc lập, tiết kiệm điện và vận hành ổn định suốt ngày đêm nhờ hệ thống lưu trữ acquy. Hướng nghiên cứu này phù hợp với chiến lược phát triển năng lượng tái tạo quốc gia giai đoạn 2021–2030.

1.2. Cấu trúc tổng thể của hệ thống tưới tự động năng lượng mặt trời

Hệ thống gồm các thành phần chính: tấm pin quang điện, bộ sạc acquy (charge controller), acquy lưu trữ, bộ inverter (nếu cần AC), máy bơm nước, van điện từ, cảm biến độ ẩm đất và bộ điều khiển trung tâm. Tấm pin chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện một chiều (DC). Bộ sạc điều tiết dòng nạp vào acquy, tránh quá tải. Acquy cung cấp điện cho máy bơm khi không có ánh sáng. Cảm biến độ ẩm phản hồi tín hiệu về bộ điều khiển để quyết định thời điểm và lượng nước tưới. Thiết kế này đảm bảo vận hành liên tục và tiết kiệm năng lượng tối đa.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật trong hệ thống tưới năng lượng mặt trời

Việc thiết kế hệ thống tưới cây bằng năng lượng mặt trời đặt ra nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp. Trước tiên là vấn đề tính toán công suất: dung lượng acquy và diện tích tấm pin phải đủ đáp ứng nhu cầu tiêu thụ của máy bơm trong suốt chu kỳ hoạt động. Thứ hai là bài toán tối ưu góc nghiêng tấm pin. Góc nghiêng ảnh hưởng trực tiếp đến lượng bức xạ thu được. Qua mô phỏng PVsyst, góc 13 độ cho thấy tổn thất quang học (Loss/opt) bằng 0%, đây là giá trị lý tưởng cho vùng TP.HCM. Thứ ba là lựa chọn phương pháp tưới phù hợp. Mỗi hình thức tưới — nhỏ giọt, phun mưa, phun sương — có mức tiêu thụ điện và nước khác nhau. Tưới nhỏ giọt tiêu thụ điện thấp nhất, phù hợp hệ thống năng lượng mặt trời công suất nhỏ. Tưới phun mưa phủ diện rộng nhưng đòi hỏi công suất bơm cao hơn. Ngoài ra, bộ điều khiển cần xử lý tín hiệu từ cảm biến độ ẩm đất theo thời gian thực, đưa ra lệnh đóng/ngắt van điện từ chính xác. Sự phối hợp giữa phần cứng và phần mềm điều khiển là yếu tố quyết định độ tin cậy của toàn hệ thống.

2.1. Thách thức trong tính toán và lựa chọn thiết bị lưu trữ điện

Acquy là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống Off Grid. Dung lượng acquy phải đủ để vận hành máy bơm trong điều kiện nhiều ngày âm u, không có bức xạ mặt trời. Nếu tính toán sai, hệ thống sẽ ngừng hoạt động giữa chừng hoặc acquy nhanh hỏng do xả sâu. Nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm PVsyst để mô phỏng kịch bản bức xạ theo từng giờ trong năm. Kết quả mô phỏng giúp xác định chính xác số tấm pin, dung lượng acquy và công suất bơm tối ưu trước khi chế tạo thực tế, giảm thiểu sai số và tiết kiệm chi phí vật liệu.

2.2. So sánh các phương pháp điều khiển tưới tự động

Ba phương pháp điều khiển chính được phân tích: tưới theo hẹn giờ (timer), tưới theo cảm biến độ ẩm và tưới tích hợp giám sát từ xa. Hệ thống timer đơn giản nhưng không phản ứng được với thay đổi thời tiết. Hệ thống cảm biến linh hoạt hơn, tưới đúng lúc cây cần nước, tiết kiệm nước đáng kể. Hệ thống giám sát từ xa cho phép theo dõi và điều chỉnh qua mạng internet nhưng chi phí triển khai cao hơn. Nhóm nghiên cứu lựa chọn điều khiển bằng cảm biến độ ẩm làm phương án chính, đảm bảo cân bằng giữa độ chính xác và chi phí vận hành.

III. Giải pháp thiết kế và chế tạo mô hình tưới tự động năng lượng mặt trời

Nhóm nghiên cứu ĐH SPKT TP.HCM xây dựng mô hình theo quy trình gồm ba giai đoạn: mô phỏng, thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển. Giai đoạn mô phỏng dùng phần mềm PVsyst với chế độ Stand-alone. Hệ thống được đặt tên, lưu file, sau đó cấu hình góc nghiêng tấm pin trong mục Orientation. Góc 13 độ được xác nhận là tối ưu với bức xạ thu được 1808 kWh/m²/năm và tổn thất bằng 0. Mục User's need cho phép nhập công suất các tải tiêu thụ theo giờ. Đồ thị phân phối tải theo giờ (Hourly distribution) giúp xác định thời điểm máy bơm hoạt động nhiều nhất. Từ kết quả mô phỏng, nhóm tiến hành lựa chọn thiết bị thực tế: tấm pin quang điện, bộ sạc MPPT, acquy axit-chì, máy bơm DC và cảm biến độ ẩm dạng điện trở. Phần điều khiển sử dụng vi điều khiển đọc tín hiệu cảm biến, so sánh với ngưỡng cài đặt và điều khiển relay đóng ngắt máy bơm. Mô hình hoàn thiện được thử nghiệm thực tế tại xưởng Khoa Cơ Khí Động Lực, cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáng tin cậy.

3.1. Quy trình mô phỏng hệ thống bằng phần mềm PVsyst

PVsyst là phần mềm chuyên dụng để thiết kế và mô phỏng hệ thống điện mặt trời. Quy trình thực hiện gồm: chọn chế độ Stand-alone (hệ độc lập có lưu trữ), đặt tên dự án, cấu hình góc nghiêng tấm pin trong Orientation, nhập dữ liệu tải trong User's need và chạy mô phỏng để nhận báo cáo năng lượng. Kết quả cho thấy với góc nghiêng 13 độ tại TP.HCM, hệ thống đạt hiệu suất thu bức xạ cao nhất. Báo cáo mô phỏng cung cấp căn cứ khoa học để lựa chọn số lượng tấm pin, dung lượng acquy và công suất bơm phù hợp với nhu cầu thực tế của mô hình.

3.2. Lựa chọn hình thức tưới và thiết bị phần cứng phù hợp

Sau khi phân tích ba hình thức tưới, nhóm nghiên cứu lựa chọn tưới nhỏ giọt làm phương án triển khai chính. Lý do: chi phí điện thấp, phù hợp với nguồn năng lượng mặt trời công suất nhỏ, tiết kiệm nước và cung cấp độ ẩm đồng đều tại vùng rễ cây. Hệ thống ống nhỏ giọt được bố trí theo hàng cây trồng. Máy bơm DC 12V được chọn để tương thích trực tiếp với nguồn acquy, loại bỏ tổn thất chuyển đổi DC-AC. Cảm biến độ ẩm đất dạng điện trở được cắm sâu vào đất tại vùng rễ, đảm bảo đo lường chính xác và phản hồi tức thời cho bộ điều khiển.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của mô hình tưới tự động

Mô hình tưới cây tự động bằng năng lượng mặt trời do nhóm sinh viên ĐH SPKT TP.HCM chế tạo đã chứng minh tính khả thi trong điều kiện thực nghiệm. Hệ thống vận hành độc lập, không cần điện lưới, phù hợp với khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa. Cảm biến độ ẩm đất phản hồi chính xác, giúp tiết kiệm nước tưới so với phương pháp thủ công truyền thống. Chi phí vận hành gần bằng 0 sau khi đầu tư ban đầu, do toàn bộ điện năng lấy từ mặt trời. Tấm pin sau khi lắp đặt vận hành dài hạn từ 20–25 năm với chi phí bảo trì thấp. Đây là bước tiến quan trọng trong ứng dụng năng lượng tái tạo vào nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có thể nhân rộng sang các mô hình canh tác rau màu, hoa cảnh, cây ăn trái. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp IoT để giám sát và điều khiển từ xa qua điện thoại thông minh, nâng cao hiệu quả quản lý và mở rộng quy mô ứng dụng trong thực tế sản xuất nông nghiệp.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường của mô hình nghiên cứu

Việc sử dụng năng lượng mặt trời thay thế điện lưới giúp giảm chi phí vận hành xuống mức gần như bằng 0 sau thời gian hoàn vốn đầu tư ban đầu. Mô hình không phát thải khí CO2 trong quá trình vận hành, góp phần bảo vệ môi trường. Hệ thống tưới nhỏ giọt tự động giảm lượng nước tiêu thụ đáng kể so với tưới thủ công. Đây là mô hình kinh tế tuần hoàn phù hợp với định hướng phát triển bền vững của Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và khan hiếm nguồn nước ngày càng gia tăng tại các vùng canh tác nông nghiệp.

4.2. Tiềm năng mở rộng và hướng phát triển trong tương lai

Mô hình hiện tại có quy mô nhỏ, phù hợp để thử nghiệm và kiểm chứng công nghệ. Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng công suất hệ thống điện mặt trời để đáp ứng diện tích canh tác lớn hơn. Tích hợp cảm biến nhiệt độ, độ pH đất và module IoT giúp nâng cấp hệ thống lên mức nông nghiệp thông minh. Dữ liệu thu thập từ cảm biến có thể phân tích bằng AI để dự báo nhu cầu tưới tiêu theo mùa vụ. Đây là nền tảng để xây dựng hệ thống nông nghiệp 4.0 tại Việt Nam, đặc biệt phù hợp với các tỉnh Đồng bằng Sông Cửu Long và Tây Nguyên.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang tác động trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Tình trạng suy giảm lượng mưa và hạn hán kéo dài diễn ra nghiêm trọng tại các tỉnh Tây Nguyên như Lâm Đồng, Đắk Nông, Gia Lai, làm suy giảm mực nước tại các sông, suối, hồ và giếng khoan, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt nguồn nước tưới nghiêm trọng. Đồng thời, cơ cấu năng lượng truyền thống dựa trên nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt) đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Việc kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có, đặc biệt là quang điện, vào các hệ thống kỹ thuật nông nghiệp tự động hóa là hướng tiếp cận cần thiết nhằm giảm công lao động, tối ưu hóa tài nguyên nước và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Đồ án tốt nghiệp xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Tìm hiểu và phân tích các hệ thống tưới cây tự động hiện có trên thị trường cùng các phương thức điều khiển liên quan.
2. Mô phỏng tính toán và lập trình điều khiển cho hệ thống tưới cây tự động sử dụng năng lượng mặt trời thông qua phần mềm chuyên dụng.
3. Thiết kế, lựa chọn thiết bị và lắp đặt mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm ba nội dung:

1. Tính toán và mô phỏng hệ thống cấp nguồn điện mặt trời độc lập phục vụ tưới tự động bằng phần mềm PVsyst.
2. Chế tạo và lắp đặt thành công mô hình phần cứng hoạt động thực tế.
3. Đảm bảo hệ thống vận hành chính xác theo các thông số và chế độ điều khiển thiết kế.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình hệ thống tưới cây tự động quy mô nhỏ, hoạt động bằng nguồn điện mặt trời độc lập (Off-Grid). Phạm vi không gian nghiên cứu dữ liệu bức xạ mặt trời được xác định tại khu vực thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện và hoàn thành đồ án vào tháng 07 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý chuyển đổi quang điện của hệ thống pin mặt trời độc lập (Off-Grid Solar System) kết hợp hệ thống lưu trữ điện năng. Về mặt vật lý bán dẫn, đồ án vận dụng lý thuyết đường đặc tuyến dòng điện - điện áp ($I-V$) để xác định điểm làm việc có công suất cực đại ($P_{mpp}$, $V_{mpp}$, $I_{mpp}$), dòng điện ngắn mạch ($I_{sc}$), điện áp hở mạch ($V_{oc}$) và hệ số điền đầy:

$$FF = \frac{I_{mpp} \times V_{mpp}}{I_{sc} \times V_{oc}}$$

Về mặt công nghệ sạc và tích trữ, đồ án phân tích nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) so với công nghệ dò điểm công suất cực đại (MPPT), cùng cơ chế xả nạp của ắc quy chì-axit và pin Lithium.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phương pháp tính toán lý thuyết: Cân bằng năng lượng phụ tải hàng ngày ($A_{day}$), tính toán dung lượng ắc quy lưu trữ ($C_{bat}$) dựa trên số ngày tự quản ($N_d$) và độ xả sâu ($D$), tính toán số lượng tấm pin quang điện ($N_{PV}$) theo số giờ nắng đỉnh trung bình ngày ($PSH$).
• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm PVsyst phiên bản Stand-alone nhằm mô phỏng hệ thống quang điện độc lập, xác định góc nghiêng tấm pin tối ưu, phân tích tổn thất hệ thống và kiểm tra khả năng đáp ứng phụ tải.
• Phương pháp thiết kế cơ khí và nhúng: Ứng dụng phần mềm SketchUp để dựng mô hình không gian 3D; xây dựng thuật toán điều khiển trên nền tảng vi điều khiển Arduino UNO R3 kết hợp cảm biến độ ẩm đất và module thời gian thực RTC DS3231.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình thực tế, đo đạc thông số dòng điện, điện áp, công suất và năng lượng tiêu thụ bằng đồng hồ đo DC chuyên dụng để đối chiếu với kết quả tính toán và mô phỏng.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm:

• Dữ liệu khí tượng và bức xạ mặt trời từ cơ sở dữ liệu Global Solar Atlas tại tọa độ khu vực thành phố Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.
• Thông số kỹ thuật của tấm pin quang điện do hãng IREX Energy công bố.
• Thông số kỹ thuật của ắc quy, bộ điều khiển sạc và các thiết bị điện tử từ nhà sản xuất.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu hình điện mặt trời độc lập cấp điện cho tải một chiều (DC 12V), bao gồm tấm pin PV, bộ điều khiển sạc, hệ lưu trữ ắc quy, khối vi điều khiển và khối bơm tưới.

Phân tích phụ tải và tính toán nguồn cấp

Hệ thống tiêu thụ điện năng dựa trên hai nhóm phụ tải: khối điều khiển hoạt động liên tục 24/24h và khối máy bơm DC hoạt động gián đoạn theo chu kỳ tưới.

STT	Thiết bị	Số lượng	Công suất (W)	Thời gian sử dụng (h/ngày)	Năng lượng tiêu thụ (Wh/ngày)
1	Mạch điều khiển (Arduino, Cảm biến, Relay, RTC, LED)	1 bộ	0,2	24	5
2	Máy bơm nước DC 12V	1	5,0	1 (4 lần × 15 phút: 6h, 12h, 15h, 17h)	5
Tổng cộng			Pmax = 5,2 W		Aday = 10 Wh

Từ các thông số phụ tải trên, nhóm tác giả thực hiện các bước tính toán:

• Dung lượng ắc quy: Với điện năng tiêu thụ $A_{day} = 10\text{ Wh}$, số ngày tự quản $N_d = 3\text{ ngày}$, hệ điện áp danh định $V_{bat} = 12\text{ V}$, độ xả sâu chọn mức an toàn cho ắc quy chì-axit $D = 50%$, hiệu suất chuyển đổi $\eta = 0,9$: $$C_{bat} = \frac{10\text{ Wh} \times 3\text{ ngày}}{0,9 \times 12\text{ V} \times 0,5} \approx 6\text{ Ah}$$ Hệ thống lựa chọn 01 bình ắc quy chì-axit 12V - 6Ah.
• Tấm pin năng lượng mặt trời: Với số giờ nắng đỉnh tại Thủ Đức là $h_n = 5,02\text{ h/ngày}$, hệ số tổn thất toàn hệ thống lấy $\eta = 0,8$: $$N_{PV} = \frac{A_{day}}{h_n \times P_{PV} \times \eta} = \frac{10}{5,02 \times 35 \times 0,8} \approx 0,07$$ Hệ thống sử dụng 01 tấm pin năng lượng mặt trời công suất 35Wp (Model: IR035PC4-36 của nhà sản xuất IREX Energy).
• Bộ điều khiển sạc: Với hệ lưu trữ 12VDC và công suất tấm pin nhỏ, nhóm lựa chọn bộ điều khiển sạc công nghệ PWM thông số 12V - 3A để đảm bảo chi phí thấp và vận hành ổn định.

Cấu trúc phần cứng và thiết bị mô hình

Mô hình thực tế được thiết kế trên SketchUp và gia công lắp đặt hoàn chỉnh gồm:

• Khung và giá đỡ: Chân chữ Z đỡ tấm pin quang điện định vị trên khung mô hình.
• Tủ điều khiển: Vỏ tủ điện nhựa ABS chứa bo mạch vi điều khiển Arduino UNO R3, module thời gian thực RTC DS3231, module cảm biến độ ẩm đất dạng điện cực cắm, module relay 5VDC kích tín hiệu, relay trung gian 12VDC đóng cắt nguồn động lực cho máy bơm, công tắc chuyển mạch 2 vị trí và 3 vị trí.
• Hệ thống đo lường: Đồng hồ đo hiển thị số DC 20A tích hợp sẵn các thông số điện áp (V), dòng điện (A), công suất (W) và mức năng lượng tiêu thụ tích lũy (Wh).
• Hệ thống thủy lực: Máy bơm màng DC 12V công suất 5W, bể chứa nước mini, đường ống dẫn bọc ống ruột gà bảo vệ và các đầu béc phun sương.

Thuật toán và chế độ vận hành

Chương trình điều khiển nhúng trên Arduino được thiết kế với 3 chế độ hoạt động riêng biệt, chuyển đổi qua hệ thống công tắc gạt:

• Chế độ tự động (Auto): Hệ thống đọc giá trị từ cảm biến độ ẩm đất. Nếu độ ẩm đất đo được nhỏ hơn ngưỡng cài đặt ($< 30%$), vi điều khiển kích hoạt relay bật máy bơm nước và bật đèn LED xanh cảnh báo đang tưới. Khi độ ẩm đất đạt ngưỡng quy định ($\ge 30%$), hệ thống ngắt relay dừng máy bơm và chuyển sang đèn LED đỏ.
• Chế độ bán tự động (Semi-auto / Timer): Vi điều khiển giao tiếp với module RTC DS3231 để lấy dữ liệu thời gian thực. Khi thời gian trùng với các mốc giờ đã lập trình trước (cài đặt cố định vào 4 khung giờ: 6h00, 12h00, 15h00 và 17h00), hệ thống kích hoạt máy bơm chạy liên tục trong 15 phút, sau đó tự động ngắt.
• Chế độ thủ công (Manual): Cho phép người vận hành cưỡng bức đóng/ngắt máy bơm trực tiếp thông qua công tắc nguồn on/off trên tủ điện mà không phụ thuộc vào cảm biến hay thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày bối cảnh suy giảm năng lượng hóa thạch toàn cầu từ giai đoạn 1990 - 2020, nhấn mạnh vai trò của năng lượng tái tạo và thực trạng hạn hán ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Tác giả tổng quan cấu tạo hệ thống tưới cây tự động (trung tâm điều khiển, máy bơm, đường ống dẫn, đầu phun) và phân loại các phương thức điều khiển (theo bộ hẹn giờ, theo cảm biến môi trường, điều khiển từ xa). Đồng thời, chương 1 so sánh chi tiết ba hình thức tưới phổ biến hiện nay:

Tiêu chí	Tưới nhỏ giọt	Tưới phun sương	Tưới phun mưa
Ưu điểm	Tiết kiệm nước tối đa; nước phân phối cục bộ quanh gốc, hạn chế cỏ dại.	Nước phun mịn, làm mát tiểu khí hậu; tăng độ ẩm đất và không khí xung quanh.	Phù hợp nhiều loại đất; hạn chế xói mòn; loại bỏ việc phải đóng cọc.
Nhược điểm	Dễ tắc nghẽn đầu nhỏ giọt nếu thiếu bộ lọc; chi phí đầu tư ban đầu cao.	Nước dễ bốc hơi; rễ cây hấp thụ ít nước hơn; chi phí đầu tư cao.	Nước tưới dễ văng ra lối đi; kích thích cỏ dại phát triển trên diện rộng.
Phạm vi phù hợp	Cây trồng cần cấp nước tại rễ; địa hình hạn chế dòng chảy.	Thích hợp cho vườn ươm, hoa cảnh, vườn rau cần làm mát tán lá.	Phù hợp nhiều loại cây trồng nông nghiệp trên diện tích đất lớn.
Chi phí năng lượng	Thấp do áp suất và lưu lượng yêu cầu thấp.	Thấp đến trung bình, đáp ứng độ phủ mịn cục bộ.	Cao do đòi hỏi áp lực bơm lớn và lưu lượng nước tưới liên tục.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung trình bày các khái niệm nền tảng về hệ thống quang điện, phân tích 3 mô hình cấu trúc: hòa lưới (On Grid), độc lập (Off Grid) và kết hợp (Hybrid). Các yếu tố khách quan tác động đến hiệu suất tấm pin được phân tích gồm nhiệt độ bề mặt pin, cường độ bức xạ, góc nghiêng, hướng lắp đặt (hướng chính Nam tối ưu tại Việt Nam), bụi bẩn và hiện tượng che bóng cục bộ. Chương này cũng phân tích ý nghĩa của đường đặc tuyến $I-V$, các điểm làm việc đặc trưng $I_{sc}$, $V_{oc}$, $P_{mpp}$, cùng ảnh hưởng của hiệu suất biến tần và bộ sạc đến tổn hao chung của hệ thống.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống tưới tự động bằng năng lượng mặt trời

Nội dung chương 3 bao gồm toàn bộ quá trình tính toán thiết kế kỹ thuật. Tác giả tiến hành so sánh các loại pin mặt trời (Mono, Poly, Thin-Film), công nghệ lưu trữ (ắc quy chì-axit và pin Lithium) và bộ điều khiển sạc (PWM và MPPT). Cụ thể, bảng so sánh giữa PWM và MPPT chỉ ra rằng bộ sạc PWM phù hợp với các hệ thống công suất nhỏ do chi phí thấp, cấu tạo đơn giản và độ bền cao dù hiệu suất chuyển đổi không bằng MPPT.

Tác giả trình bày các công thức toán học xác định phụ tải $A_{day} = 10\text{ Wh}$, tính toán dung lượng ắc quy 12V - 6Ah và chọn tấm pin IREX 35Wp dựa trên chỉ số $PSH = 5,02\text{ h/ngày}$. Tiếp đó, quy trình mô phỏng trên phần mềm PVsyst được triển khai chi tiết qua 4 bước: thiết lập phân hệ Stand-alone, nhập tọa độ và chọn góc nghiêng mặt pin tối ưu (Plane tilt: $13^\circ$, mức tổn thất góc nghiêng Loss/opt đạt $0,0%$, tổng lượng bức xạ đạt $1808\text{ kWh/m}^2/\text{năm}$), cấu hình bảng thông số phụ tải User's needs theo phân bố giờ, và cấu hình thư viện thiết bị (System Database) bao gồm tấm PV 35W và ắc quy chì 12V - 6Ah. Cuối chương là danh mục vật tư chi tiết, sơ đồ đấu nối dây điện và hình ảnh thiết kế 3D bằng SketchUp.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố kết quả mô phỏng trên phần mềm PVsyst và kết quả thử nghiệm vận hành mô hình thực tế. Tác giả lập bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật giữa mô phỏng giả định ban đầu và mô phỏng hiệu chỉnh theo thông số thực tế:

Thông số	Kết quả mô phỏng giả định	Kết quả mô phỏng thực tế
Công suất tấm pin (Wp)	35	35
Dung lượng ắc quy (Ah)	6	6
Góc nghiêng tấm pin ($^\circ$)	13	13
Bức xạ thu được ($kWh/m^2/năm$)	1808	1808
Hao hụt góc nghiêng (Loss/opt)	0,0%	0,0%
Khả năng cấp điện cho tải	Đảm bảo liên tục	Đảm bảo liên tục (ngay cả chu kỳ 3 ngày tự quản)

Phần thực nghiệm mô hình ghi nhận các thông số từ đồng hồ đo DC 20A:

• Khi máy bơm dừng hoạt động (chỉ cấp nguồn cho mạch điều khiển Arduino, RTC, cảm biến và relay): công suất tiêu thụ dao động quanh mức $0,2\text{ W}$.
• Khi máy bơm khởi động và phun sương: công suất toàn hệ thống tăng lên khoảng $5,2\text{ W}$.
• Đồ thị phụ tải theo dõi chu kỳ 20 phút chứng minh hệ thống đóng ngắt chính xác theo thuật toán lập trình, áp lực nước qua béc phun sương đều và tơi mịn, không xảy ra hiện tượng sụt áp bất thường trên bình ắc quy.

Chương 5: Kết luận, hạn chế và hướng phát triển

Chương 5 đúc kết các kết quả đạt được: hoàn thành việc tính toán, mô phỏng thành công trên PVsyst và lắp đặt hoàn chỉnh mô hình tưới thực tế. Tác giả chỉ ra các điểm còn giới hạn của mô hình và đề xuất các giải pháp nâng cấp mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả định lượng, đồ án đã hoàn thành:

• Xác định chính xác góc nghiêng tối ưu của tấm pin tại khu vực Thủ Đức là $13^\circ$, tiếp nhận lượng bức xạ $1808\text{ kWh/m}^2/\text{năm}$ với tổn hao góc nghiêng bằng $0,0%$.
• Tính toán và tối ưu hóa hệ cấp nguồn độc lập kích thước nhỏ gọn: 01 tấm pin quang điện IREX 35Wp, 01 bộ điều khiển sạc PWM 12V - 3A, 01 bình ắc quy chì-axit 12V - 6Ah đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ $10\text{ Wh/ngày}$ và dự phòng an toàn trong 3 ngày liên tục không có nắng.
• Chế tạo thành công mô hình hoạt động ổn định ở cả 3 chế độ (tự động theo độ ẩm đất $< 30%$, bán tự động theo RTC 4 lần/ngày mỗi lần 15 phút, và chế độ điều khiển tay).

Về giải pháp kỹ thuật, đồ án đề xuất giải pháp tích hợp đồng bộ giữa phần mềm mô phỏng năng lượng chuyên dụng (PVsyst) với phần cứng nhúng giá rẻ (Arduino UNO R3), giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu cho các hệ thống tưới độc lập quy mô nhỏ tại các vùng chưa có lưới điện.

Đóng góp của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh quy trình thiết kế kỹ thuật từ khâu tính toán lý thuyết, mô phỏng số kiểm chứng thông số quang điện, dựng hình 3D cho đến chế tạo, đấu nối và kiểm thử thực nghiệm một hệ thống tưới cây tự động khép kín hoàn toàn bằng năng lượng tái tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong văn bản đồ án:

• Quy mô mô hình mang tính chất thử nghiệm trong phòng lab/khuôn viên trường, dung lượng và công suất tải nhỏ (máy bơm 5W, bình ắc quy 6Ah, tấm pin 35W), chưa áp dụng trực tiếp trên vùng canh tác lớn ngoài đồng ruộng.
• Hệ thống thực tế mới chỉ triển khai hình thức tưới phun sương, chưa tích hợp kết hợp nhiều hình thức tưới khác (nhỏ giọt, phun mưa).
• Mô hình chưa tích hợp khối truyền thông giám sát và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động hoặc máy tính (chỉ mới dừng lại ở việc tổng quan lý thuyết về điều khiển từ xa).
• Loại ắc quy sử dụng là ắc quy chì-axit có độ xả sâu giới hạn ($50%$) và tuổi thọ thấp hơn so với pin lưu trữ công nghệ Lithium.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Nâng cấp hệ thống giám sát và điều khiển thông qua kết nối Internet vạn vật (IoT), cho phép theo dõi thông số độ ẩm, trạng thái pin và bật tắt máy bơm qua điện thoại thông minh.
• Chuyển đổi sang sử dụng pin lưu trữ công nghệ Lithium để tăng độ xả sâu lên trên $80%$, giảm khối lượng và kéo dài tuổi thọ hệ thống.
• Mở rộng quy mô công suất nguồn pin và máy bơm để ứng dụng tưới tiêu thực tế cho các trang trại nông nghiệp diện tích lớn.
• Phát triển hệ thống van điện từ phân vùng để kết hợp linh hoạt cả ba hình thức tưới nhỏ giọt, phun sương và phun mưa tùy theo từng giai đoạn phát triển của cây trồng.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên các chuyên ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Nông nghiệp công nghệ cao.

Nội dung đồ án cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết cho các đề tài tốt nghiệp hoặc dự án ứng dụng liên quan đến:

• Quy trình mô phỏng hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-Grid Stand-alone) từng bước bằng phần mềm PVsyst.
• Phương pháp tính toán dung lượng ắc quy theo số ngày tự quản và tính chọn công suất tấm pin quang điện theo chỉ số PSH từ cơ sở dữ liệu bức xạ.
• Sơ đồ nguyên lý đấu nối mạch điều khiển nhúng Arduino kết hợp module RTC DS3231, cảm biến độ ẩm đất và các tầng relay đóng cắt phụ tải động cơ DC.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn góc nghiêng tấm pin mặt trời là $13^\circ$ khi mô phỏng trên phần mềm PVsyst? Theo kết quả mô phỏng trên PVsyst dựa trên cơ sở dữ liệu bức xạ tại khu vực Thủ Đức (TP.HCM), góc nghiêng $13^\circ$ so với phương ngang theo hướng chính Nam cho lượng bức xạ tiếp nhận cao nhất trong năm đạt $1808\text{ kWh/m}^2$, đồng thời hệ số suy hao góc nghiêng (Loss/opt) đạt mức $0,0%$.

2. Tổng điện năng tiêu thụ trong ngày ($A_{day}$) của mô hình được tính toán bằng bao nhiêu? Tổng điện năng tiêu thụ trong ngày của mô hình là $10\text{ Wh}$, bao gồm: $5\text{ Wh}$ dành cho khối mạch điều khiển hoạt động liên tục 24h với công suất $0,2\text{ W}$, và $5\text{ Wh}$ dành cho máy bơm nước DC $5\text{ W}$ hoạt động tổng cộng 1 giờ/ngày (chia đều 4 khung giờ, mỗi lần chạy 15 phút).

3. Tiêu chí kích hoạt máy bơm nước ở chế độ tưới tự động của hệ thống là gì? Ở chế độ tự động, hệ thống sử dụng cảm biến độ ẩm đất để kiểm tra giá trị độ ẩm môi trường trồng trọt. Nếu độ ẩm đất đo được nhỏ hơn $30%$, vi điều khiển kích hoạt relay bật máy bơm và bật đèn LED xanh; khi đất đủ nước và độ ẩm đạt từ $30%$ trở lên, hệ thống sẽ ngắt relay dừng máy bơm và bật đèn LED đỏ.

4. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn bộ điều khiển sạc công nghệ PWM thay vì MPPT? Nhóm lựa chọn bộ sạc công nghệ PWM (thông số 12V - 3A) do hệ thống có quy mô công suất nhỏ ($35\text{ Wp}$ pin và $10\text{ Wh/ngày}$ phụ tải), điện áp tấm pin và ắc quy tương thích ở mức 12V. Bộ sạc PWM có giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản, tản nhiệt thụ động bền bỉ, giúp tối ưu chi phí đầu tư mà vẫn đảm bảo an toàn nạp xả cho bình ắc quy.

5. Hệ thống ắc quy chì-axit được tính toán với độ xả sâu ($D$) và số ngày tự quản ($N_d$) là bao nhiêu? Hệ thống lưu trữ sử dụng ắc quy chì-axit 12V - 6Ah được tính toán với độ xả sâu $D = 50%$ nhằm đảm bảo tuổi thọ làm việc lâu dài cho bản cực chì, và số ngày tự quản $N_d = 3\text{ ngày}$ để đảm bảo cung cấp điện liên tục cho hệ thống ngay cả khi thời tiết mưa râm hoặc nhiều mây liên tiếp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình tưới cây tự động hoạt động bằng năng lượng mặt trời" đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu tích hợp kỹ thuật giữa hệ thống quang điện độc lập quy mô nhỏ và hệ thống tưới tự động đa chế độ. Bằng việc kết hợp tính toán lý thuyết, mô phỏng chuyên sâu trên PVsyst và kiểm chứng thực nghiệm bằng phần cứng điều khiển Arduino, nhóm tác giả đã làm chủ quy trình thiết kế hệ thống cấp nguồn tái tạo độc lập phục vụ sản xuất. Kết quả vận hành ổn định của mô hình thực tế cung cấp giải pháp kỹ thuật hữu ích, có tiềm năng ứng dụng và mở rộng cho nông nghiệp tại các vùng chịu ảnh hưởng của hạn hán và thiếu hụt lưới điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nước ta là đất nước phát triển nông nghiệp, việc trồng trọt của người nông dân là hết sức quan trọng trong việc góp phần phát triển nền nông nghiệp nước nhà. Bên cạnh đó, chúng ta có thể thấy rõ khí hậu của Địa Cầu đang dần biến đổi khiến việc trồng trọt của người nông dân đang rất là khó khăn. Vì vậy, họ cần những phát minh tiện lợi, hiện đại giúp họ phần nào trong trồng trọt, nhưng nó phải đảm bảo an toàn và thân thiện với môi trường. Vì thế, hệ thống tưới tiêu thông minh là cái mà chúng nên nhắm đến và đồng thời việc bảo vệ môi trường cũng là vấn đề nên được ưu tiên bằng cách sử dụng nguồn năng lượng mà thiên nhiên sẵn có và có thể sử dụng lại.

Lý do chọn đề tài: Hiện nay, nhu cầu cung cấp năng lượng ngày càng tăng. Năng lượng chúng ta đang sử dụng phần lớn là đến từ nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than, khí đốt…, nhưng chúng thì đang dần cạn kiệt và đến một lúc nào đó có thể sẽ biến mất hoàn toàn. Cách giải quyết đó là thay thế bằng các nguồn năng lượng sẵn có như gió, mặt trời… bởi vì chúng có thể tái tạo được. Biểu đồ các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới 1990-2020 200000000 180000000 160000000 1990 140000000 1995 120000000 2000 TJ 100000000 80000000 2005 60000000 2010 40000000 2015 20000000 0 2020 Coal Natural Nuclear Hydro Wind, Biofuels Oil gas solar, etc.

and waste Hình 1.1: Biểu đồ các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới 1990 - 2020 1 Tổng phần trăm các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới 2020 27% 29% 10% 24% 2% 3% 5% Coal Natural gas Nuclear Hydro Wind, solar, etc. Biofuels and waste Oil Hình 1.2: Tổng phần trăm các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới năm 2020 Năng lượng tái tạo là các dạng năng lượng có thể tái tạo được và gần như là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, sinh khối, địa nhiệt. Năng lượng tái tạo không góp phần gây ô nhiễm môi trường. Trong đó năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng sử dụng ánh sáng từ mặt trời từ đó chuyển đổi thành điện năng hay nhiệt năng phục vụ cho nhu cầu sử dụng của con người.

Việt Nam là một quốc gia nhiệt đới, đất nước được biết đến phát triển bằng nền nông nghiệp. Thế nhưng, do biến đổi khí hậu, lượng mưa giảm, thiếu nước nghiêm trọng. Nhiều vườn cây trồng đang bị ảnh hưởng, cây trồng không được tưới đúng lịch trình, dẫn đến giảm năng suất và tổn thất kinh tế cho người nông dân. Có thể thấy, hiện nay các tỉnh tây nguyên như Lâm Đồng, Đăk Nông, Gia Lai,… đang phải đối mặt với hạn hán khi tới mùa khô.

Ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu làm mực nước các sông, hồ, suối và giếng xuống thấp gây nguy cơ không đủ nước tưới cho cây trồng. Một hệ thống tưới cây thông minh, tiết kiệm năng lượng, giảm sức lao động cho người nông dân và đặc biệt không gây hại đến môi trường là hết sức cần thiết. Do vậy, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình tưới cây tự động hoạt động bằng năng lượng mặt trời” làm đề tài nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp này. Phương pháp thực hiện đề tài Gồm các bước sau: - Tìm hiểu về các hệ thống tưới tự động sẵn có.

Từ đó xác định nhu cầu hệ thống của nhóm. - Thực hiện việc tính toán và mô phỏng hệ thống trên phần mềm. - Tiến hành chế tạo mô hình thực tế. - Đánh giá và phân tích hệ thống.

Nhiệm vụ đề tài - Tìm hiểu và phân tích các hệ thống tưới cây tự động hiện có.