Đồ án: Thiết kế và Thi công Mô hình Hệ thống Home by Home Solar Tracking

Khám phá quy trình thiết kế và thi công mô hình hệ thống home by home solar tracking hiệu quả. Hướng dẫn chi tiết về kỹ thuật và ứng dụng thực tế cho ngôi nhà

• Tác giả: Nguyễn Hồ Trọng An
• Người hướng dẫn: NCS. Lê Bá Tân
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống Home by home Solar Tracking
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Thiết kế và thi công hệ thống Home by Home Solar Tracking Hướng dẫn chi tiết

Home by Home Solar Tracking là một giải pháp năng lượng mặt trời hiệu quả, cho phép tối ưu hóa việc thu năng lượng từ mặt trời. Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn cách thiết kế và thi công hệ thống này, từ các bước cơ bản đến những ứng dụng thực tiễn. Hãy cùng khám phá và tìm hiểu chi tiết hơn về chủ đề này.

1.1. Tổng quan về Home by Home Solar Tracking

Home by Home Solar Tracking là một hệ thống theo dõi mặt trời, cho phép các tấm pin năng lượng mặt trời điều chỉnh góc và vị trí để tối đa hóa việc tiếp nhận ánh sáng mặt trời. Hệ thống này được thiết kế để tăng hiệu suất năng lượng mặt trời, đặc biệt là ở những khu vực có điều kiện ánh sáng thay đổi. Đây là một giải pháp thân thiện với môi trường, giúp giảm thiểu chi phí năng lượng và tác động đến môi trường.

1.2. Vấn đề và thách thức trong thiết kế

Thiết kế hệ thống Home by Home Solar Tracking đòi hỏi sự tinh tế và hiểu biết về các yếu tố kỹ thuật. Một trong những thách thức chính là việc xác định các thông số kỹ thuật phù hợp, bao gồm góc điều chỉnh, độ bền của cơ cấu, và khả năng chống chịu thời tiết. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu và thiết kế cơ khí cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

1.3. Phương pháp thiết kế và giải pháp

Để giải quyết các thách thức trên, chúng ta cần áp dụng các phương pháp thiết kế kỹ thuật và lựa chọn vật liệu phù hợp. Đầu tiên, cần xác định các thông số kỹ thuật như góc điều chỉnh tối ưu, khả năng chịu tải trọng, và độ bền của cơ cấu. Sau đó, lựa chọn vật liệu phù hợp, như thép không gỉ hoặc hợp kim nhẹ, để đảm bảo độ bền và khả năng chống ăn mòn. Cuối cùng, thiết kế cơ khí phải đảm bảo sự ổn định và khả năng điều chỉnh chính xác của hệ thống.

1.4. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Hệ thống Home by Home Solar Tracking đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án năng lượng mặt trời. Các nghiên cứu cho thấy hệ thống này có thể tăng hiệu suất năng lượng mặt trời lên đến 20-30%, tùy thuộc vào điều kiện địa lý và khí hậu. Ngoài ra, hệ thống này cũng giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì, do khả năng tự điều chỉnh và chống chịu thời tiết tốt hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy đây là một giải pháp hiệu quả và bền vững cho việc khai thác năng lượng mặt trời.

II. Hướng dẫn thiết kế và thi công chi tiết

Để thiết kế và thi công hệ thống Home by Home Solar Tracking, bạn cần theo các bước sau: Xác định thông số kỹ thuật, lựa chọn vật liệu, thiết kế cơ khí, và cuối cùng là lắp đặt và thử nghiệm. Mỗi bước đòi hỏi sự chú ý và kỹ thuật chuyên môn để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.

2.1. Xác định thông số kỹ thuật

Bước đầu tiên là xác định các thông số kỹ thuật của hệ thống. Điều này bao gồm xác định góc điều chỉnh tối ưu, khả năng chịu tải trọng, và các thông số khác liên quan đến điều kiện địa lý và khí hậu. Sử dụng công cụ mô phỏng và phân tích dữ liệu để xác định các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống.

2.2. Lựa chọn vật liệu

Việc lựa chọn vật liệu là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và khả năng chống chịu của hệ thống. Thép không gỉ là một lựa chọn phổ biến do khả năng chống ăn mòn và độ bền cao. Ngoài ra, bạn cũng có thể xem xét sử dụng các hợp kim nhẹ để giảm trọng lượng và tăng khả năng điều chỉnh của hệ thống. Lựa chọn vật liệu phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của hệ thống.

2.3. Thiết kế cơ khí

Thiết kế cơ khí phải đảm bảo sự ổn định và khả năng điều chỉnh chính xác của hệ thống. Sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng để tạo ra các bản vẽ chi tiết và mô phỏng hoạt động của hệ thống là rất quan trọng. Bạn cần đảm bảo rằng cơ cấu điều chỉnh hoạt động chính xác và có khả năng chống lại các lực tác động từ gió và trọng lượng của tấm pin. Thiết kế cơ khí phải được thực hiện cẩn thận để đảm bảo an toàn và hiệu suất tối ưu.

2.4. Lắp đặt và thử nghiệm

Sau khi thiết kế hoàn tất, bạn cần tiến hành lắp đặt hệ thống. Lựa chọn vị trí lắp đặt phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống nhận được đủ ánh sáng mặt trời. Sau khi lắp đặt, bạn cần tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của hệ thống. Thử nghiệm bao gồm kiểm tra khả năng điều chỉnh, độ bền, và hiệu suất năng lượng mặt trời. Kết quả thử nghiệm sẽ giúp bạn điều chỉnh và tối ưu hóa hệ thống trước khi đưa vào sử dụng.

III. Ứng dụng thực tiễn và tương lai của Home by Home Solar Tracking

Home by Home Solar Tracking đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án năng lượng mặt trời trên thế giới. Hệ thống này cho phép tối ưu hóa việc thu năng lượng mặt trời, đặc biệt là ở những khu vực có điều kiện ánh sáng thay đổi. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống này bao gồm các dự án năng lượng mặt trời thương mại, công nghiệp, và thậm chí là các dự án năng lượng mặt trời trên mái nhà. Tương lai của Home by Home Solar Tracking rất hứa hẹn, với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Hệ thống Home by Home Solar Tracking đã được áp dụng trong nhiều dự án năng lượng mặt trời khác nhau. Ví dụ, các dự án năng lượng mặt trời thương mại như nhà máy sản xuất, trung tâm dữ liệu, và các tòa nhà văn phòng có thể sử dụng hệ thống này để tối ưu hóa năng lượng mặt trời. Ngoài ra, hệ thống này cũng được áp dụng trong các dự án năng lượng mặt trời trên mái nhà, giúp gia đình và doanh nghiệp giảm chi phí năng lượng.

3.2. Tương lai của Home by Home Solar Tracking

Tương lai của Home by Home Solar Tracking rất sáng sủa, đặc biệt là với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng. Nghiên cứu và phát triển tiếp tục được thực hiện để cải thiện hiệu suất và khả năng điều chỉnh của hệ thống. Ngoài ra, việc tích hợp hệ thống này với các giải pháp lưu trữ năng lượng mặt trời cũng đang được nghiên cứu, giúp tăng khả năng tự chủ năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng đóng vai trò quan trọng trong trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người nhưng vẫn đảm bảo việc góp phần kiểm soát biến đổi khí hậu. Đó là lý do tại sao ngày nay rất nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào khai thác năng lượng Mặt Trời sao cho tối ưu nhất. Thật vậy, Trái Đất luôn tự xoay quanh trục của mình và xoay quanh Mặt Trời, nhưng Mặt Trời thì đứng im tại chỗ. Góc của ánh sáng Mặt Trời chiếu đến Trái Đất liên tục thay đổi, làm ảnh hưởng đến lượng bức xạ mà giàn pin năng lượng Mặt Trời có thể nhận được.

Để đảm bảo thu được lượng bức xạ nhiều nhất, bằng cách nào đó ta phải có một hệ thống điều khiển cho tấm PV định hướng bám theo Mặt Trời. Có một hệ thống có thể làm được việc này chính là hệ thống Solar Tracking (hệ thống tracking năng lượng Mặt Trời) Liên quan đến vấn đề này, những năm gần đây có nhiều tác giả, nhóm tác giả đã nghiên cứu làm ra những mô hình về hệ thống Solar Tracking khác nhau: Nhóm tác giả Promiment Munanga, Simon Chinguwa và Wilson R. Nyemba (2020) [1] chế tạo một thiết bị theo dõi năng lượng Mặt Trời trục đơn. Hệ thống này bao gồm một bảng điều khiển năng lượng Mặt Trời, một động cơ bước, một cảm biến Điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) và một bộ vi điều khiển Arduino Mega.

Đầu ra từ cảm biến LDR xác định xem có đủ bức xạ hay không, từ đó tính toán góc nghiêng mong muốn và sau đó là tốc độ đầu ra của động cơ bước. Các thử nghiệm đã được thực hiện để xác định tác động về hiệu quả của hệ thống được đề xuất so với tấm pin Mặt Trời 24 W cố định, kết quả cho thấy hiệu suất tăng 25%. Hình ảnh dưới đây là mô hình thực tế mà nhóm tác giả đã thiết kế ra: 1 Hình 1. 1: Mô hình của nhóm tác giả Promiment Munanga, Simon Chinguwa và Wilson R.

Nyemba Nhóm tác giả Chaowanan Jamroen, Preecha Komkuma, Sompol Kohsria, Wuttinan Himanantoa, Siriwat Panupintua, Sorawit Unkat (2020) [2] chế tạo hệ thống solar tracking hai trục. Hệ thống theo dõi được thiết kế dưới dạng hệ thống theo dõi hoạt động dựa trên điều khiển vòng lập kín, sử dụng các cảm biến Điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) làm đầu vào của hệ thống. Chiến lược theo dõi sử dụng thiết kế logic kỹ thuật số về sự tham gia của các cảm biến được triển khai trong hệ thống giả phương vị để xoay quanh trục chính (Bắc - Nam) và trục phụ (Đông - Tây) một cách đơn giản. Trong thử nghiệm, hệ thống theo dõi được đề xuất và hệ thống tấm phẳng cố định đã được đánh giá để nghiên cứu so sánh.

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống theo dõi được đề xuất đã tăng hiệu suất năng lượng điện trung bình 44,89%, sử dụng hệ thống được đề xuất so với hệ thống tấm phẳng cố định. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng hệ thống theo dõi được đề xuất có thể hoạt động đơn giản nhưng cách hiệu quả. Hiệu quả năng lượng của hệ thống PV rõ ràng là tăng 44,89% so với hệ thống tấm phẳng cố định. Một số hình từ đề tài của nhóm tác giả: 2 Hình 1.

2: Mô hình của nhóm tác giả Chaowanan Jamroen, Preecha Komkuma, Sompol Kohsria, Wuttinan Himanantoa, Siriwat Panupintua, Sorawit Unkat Ở nước ta, có nhóm tác giả Nguyễn Bá Thành, Văn Hoàng Phương (2020) [3] thiết kế, thi công và phân tích hiệu suất của hệ thống Solar Tracking năng lượng Mặt Trời trục đơn (Single Axis Solar Tracking System). Hệ thống Solar Tracking sẽ tự động di chuyển theo Mặt Trời để thu được tối đa cường độ ánh sáng phát xạ từ Mặt Trời. Khi mà cường độ ánh sáng giảm, hệ thống này tự động thay đổi hướng của nó để có được cường độ ánh sáng tối đa. Hai động cơ servo nhận tín hiệu từ bộ xử lý trung tâm sẽ xoay tấm pin Mặt Trời (solar panel) đến vị trí thích hợp để đạt hiệu suất tối ưu.

Kết quả năng lượng thu được của hệ thống trục đơn tốt hơn 9.622% so sánh với hệ thống cố định. 3: Mô hình của nhóm tác giả Nguyễn Bá Thành, Văn Hoàng Phương 1. Lý do chọn đề tài Như đã tổng quan ở trên, hiện nay chưa có một thiết kế nào có thể giúp cho việc thu được lượng bức xạ cao nhất phù hợp với từng vị trí địa lý của từng căn nhà khác nhau. Đó là lý do hình thành đề tài này.

Đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống Home by Home Solar Tracking” Như chúng ta đã biết, Mặt Trời luôn mọc ở phía Đông và lặn ở phía Tây điều này là không thay đổi, nhưng chỉ có vị trí đặt tấm pin là thay đổi theo từng vị trí căn nhà khác nhau. Một trong những điều kiện để tấm PV thu được lượng bức xạ nhiều nhất là hướng đặt tấm PV phải vuông góc với đường đi của Mặt Trời. Bên cạnh đó, lượng bức xạ thu được cao nhất là từ lúc 7 giờ sáng đến 15 giờ chiều. Vì thế, việc cân chỉnh hướng lắp đặt của giàn khung đỡ tấm PV sao cho tấm PV trong quá trình hoạt động nhận được lượng bức xạ nhiều nhất là điều rất quan trọng.

Hệ thống Home by Home Solar Tracking ra đời là giải pháp tuyệt vời giúp giải quyết vấn đề trên. Thật vậy với thiết kế cơ cấu cơ khí hình cánh cung cho giàn đỡ tấm PV, người sử dụng có thể dễ dàng điều chỉnh góc lệch của trục đỡ giàn PV sao cho thu được lượng bức xạ nhiều nhất đối với từng vị trí ngôi nhà khác nhau. Bên cạnh đó, tấm PV cũng được thiết kế lắp đặt 4 xoay quay trục với mục đích bám sát theo Mặt Trời. Phần này được điều kiển bởi hệ thống điều khiển Arduino.

Mục tiêu đề tài Đề tài hướng đến mục tiêu tìm ra một giải pháp mới về mặt kết cấu giàn khung đỡ tấm PV trong hệ thống Solar Tracking thông qua việc thiết kế và chế tạo mô hình. Cụ thể, đề tài sẽ thiết kế và chế tạo Hệ thống Home by Home Solar Tracking. Hệ thống này bao gồm: 02 Cơ cấu cơ khí hình cánh cung cho giàn đỡ tấm PV, giúp người sử dụng có thể dễ dàng điều chỉnh góc lệch của trục đỡ giàn PV sao cho thu được lượng bức xạ nhiều nhất đối với từng vị trí ngôi nhà khác nhau. Bên cạnh đó, hệ thống này cũng thiết kế 01 cơ cấu trục quay giúp cho tấm PV có thể quay trục với mục đích bám sát theo Mặt Trời.

Nội dung nghiên cứu và giới hạn đề tài: 1. Nội dung nghiên cứu Đề tài sử dụng các phần mềm như: Solidworks, Arduino IDE để thiết kế cơ khí - mô phỏng lực, cũng như viết chương trình điều khiển hệ thống bám sát theo Mặt Trời. Thật vậy, với phần mềm Solidworks đề tài đã thiết kế cơ cấu cơ khí hình cánh cung cho giàn đỡ tấm PV, giúp người sử dụng có thể dễ dàng điều chỉnh góc lệch của trục đỡ giàn PV sao cho thu được lượng bức xạ nhiều nhất đối với từng vị trí ngôi nhà khác nhau. Bên cạnh đó, với Solidworks, đề tài cũng đã thiết kế cơ cấu trục xoay giúp cho tấm PV xoay quanh trục với mục đích bám sát theo Mặt Trời.

Phần này được điều kiển bởi chương trình được viết trên phần mềm Arduino IDE. Giới hạn đề tài Đề tài chỉ dừng lại ở mức thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống Solar Tracking loại một trục với kết cấu cơ khí mới, không đi sâu vào phân tích kỹ thuật cũng như đấu nối hệ thống. Về tính thương mại, đề tài cũng chỉ dừng lại ở việc chế tạo mô hình mô phỏng hệ thống thực tế, không đi sâu vào việc thương mại hóa và sản xuất hàng loạt. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Hệ thống Solar Tracking Nhiều chuyên gia nhận định rằng Hệ thống Solar Tracking là giải pháp giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống pin Mặt Trời và có tính khả thi khi xét tương quan về mặt kinh tế và kĩ thuật. Vậy thì Hệ thống Solar Tracking là gì? Chúng có đặc điểm như thế nào?. ta sẽ cùng nhau đi đến các nội dung sau để làm rõ những vấn đề này. Hệ thống Solar Tracking là gì? Solar Tracking System - là một hệ thống tự động điều chỉnh các tấm PV luôn hướng thẳng về phía Mặt Trời nhằm thu được nhiều sản lượng năng lượng Mặt Trời càng tốt.

1: Hệ thống Solar Tracking trục kép Trái Đất luôn luôn xoay quanh trục của mình và góc của ánh sáng Mặt Trời chiếu đến liên tục thay đổi làm cho lượng bức xạ mà giàn pin năng lượng nhận được cũng thay đổi theo. Hệ thống này tối đa hóa quá trình sản xuất điện của hệ thống năng lượng Mặt Trời bằng cách di chuyển các tấm PV bám theo hướng Mặt Trời suốt cả ngày, từ đó tối ưu hóa góc giữa tấm PV và ánh sáng Mặt Trời chiếu tới tấm PV. 2: Hệ thống Solar Tracking trục đơn Khi các tấm PV tiếp xúc với ánh sáng Mặt Trời, góc mà các tia nắng Mặt Trời tiếp xúc với bề mặt tấm PV (góc này được gọi là “Góc tới”) sẽ xác định mức độ tấm PV chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. Góc tới càng nhỏ thì tương ứng với tấm PV tạo ra càng nhiều điện năng.

Hệ thống Solar Tracking giúp đảm bảo góc tới ở mức độ tối ưu bằng cách định hướng tấm PV sao cho ánh sáng Mặt Trời chiếu vào là vuông góc với bề mặt của tấm PV. Phân loại Hiện nay để phân loại solar tracker một các toàn diện người ta dựa trên các yếu tố sau: dựa trên hệ thống dẫn động, dựa vào số trục, dựa vào hệ thống điều khiển. Phân loại solar tracker dựa vào hệ thống dẫn động + Solar tracker bị động: Hệ thống này hoạt động khá đơn giản, không phức tạp như những hệ thống khác, bao gồm 2 phần môi chất khí lỏng được chứa trong 2 khối trụ khác nhau và được nối với nhau qua một ống thể tích nhỏ hơn 2 ống này. Khi phần nhận nhiều 7 nhiệt hơn sẽ làm môi chất di chuyển về phía nhận ít nhiệt hơn, vì thế mà tấm thu năng lượng Mặt Trời di chuyển theo cho đến khi cân bằng nhiệt thì dừng lại.

3: Hệ thống solar tracking bị động + Solar tracker chủ động: Hệ thống này sử dụng cảm biến, vi điều khiển và động cơ điện để vận hành. Cảm biến giúp cho hệ thống xác định vị trí của Mặt Trời liên tục và động cơ thì kéo các tấm pin năng lượng di chuyển theo cảm biến để nhận được nhiều bức xạ hơn.