Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Nâng cao hiệu năng của hệ thống PIN năng
lượng Mặt Trời
Bùi Trung Ninh, Nghiêm Mạnh Cường
Khoa Điện tử Viễn thông,
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN
Email: ninhbt@vnu.edu.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi chế tạo một hệ Dựa trên biểu đồ, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy
thống Pin năng lượng Mặt trời có khả năng tự tính toán phần lớn điện năng trên thế giới được tạo ra từ các nhà
chính xác vị trí của Mặt trời theo thời gian thực và tọa độ, máy nhiệt điện, thông qua việc đốt cháy các nguyên liệu
luôn điều hướng được tấm Pin quay về hướng thu nhận như than đá, khí đốt, dầu…Tuy nhiên, phương án này
được nhiều ánh sáng Mặt trời nhất, từ đó đảm bảo hiệu
chỉ là tạm thời, do những nguồn tài nguyên này đang dần
suất sản sinh ra năng lượng điện tốt nhất. Các kết quả
khảo sát cho thấy hiệu suất tấm Pin có hệ thống điều bị cạn kiệt. Sự thay đổi nhỏ về nguồn cung, cũng tạo nên
hướng được cải thiện 33,6% so với tấm Pin không có hệ một tác động lớn tới giá cả của lượng điện năng được
thống điều hướng (cố định) và điện lượng cũng được cải tạo ra. Bên cạnh đó, sự hoạt động của hệ thống nhiệt điện
thiện 31,7 % trong khi nhiệt độ là không đổi. Ngoài ra, kết tạo ra một một lượng khí thải vô cùng lớn, gây ảnh
quả thực nghiệm cũng cho thấy tấm Pin luôn quay vuông hưởng tiêu cực tới môi trường. Trong suốt thập kỷ qua,
góc chính xác với tia sáng Mặt trời trong bất kỳ điều kiện tiêu dùng điện than đã tăng trưởng với tốc độ trung bình
thời tiết, tại bất cứ địa điểm nào, hệ thống hoạt động ổn hàng năm là 0,8%, đặc biệt tại các quốc gia trong khu
định, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của các tác nhân bên vực châu Á – Thái Bình Dương là 2,4%. Trong năm
ngoài.
2019, Việt Nam có tốc độ tăng trưởng điện than đặc biệt
Keywords- PIN, điện Mặt trời. cao, lên tới 30,2%. Theo báo cáo của Uỷ ban Liên chính
phủ về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc (IPCC), nếu
I. GIỚI THIỆU các nước thực hiện nghiêm túc lộ trình giảm 50% lượng
khí CO2 vào năm 2030, và xuống mức 0% đến năm
Một trong những điều kiện tiên quyết đảm bảo sự
2050, thì mới có thể kiềm chế được mức tăng nhiệt độ
phát triển và duy trì sức mạnh về công nghệ, công
Trái Đất ở ngưỡng an toàn 1,5 độ C. Với hàng loạt con
nghiệp, chính là việc cung cấp năng lượng hoạt động cho
số đáng báo động, con người đang rất gấp rút trong việc
tất cả những thiết bị điện tử, máy móc. Và năng lượng ở
tìm kiếm các phương án thay thế cho hệ thống nhiệt điện.
đây, chính là điện năng. Thực tế đã chứng minh, số
Điều này đã và đang đặt ra vô vàn những thách thức mới
lượng phát minh khoa học gia tăng tỉ lệ thuận với năng
cho nhân loại [1] [2].
lượng điện tiêu thụ. Để đáp ứng nhu cầu khổng lồ về
điện, các quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu và sử
dụng đa dạng các giải pháp như nhiệt điện, thủy điện,
điện hạt nhân, điện gió...[1].
Hình 2. Sự thay đổi về tỉ lệ khai thác điện năng từ các nguồn
tài nguyên, từ năm 1974 đến 2018 trên toàn cầu (IEA) [1]
Một trong những phương án thay thế nhiệt điện được
nhiều quốc gia lựa chọn chính là xây dựng các nhà máy
Hình 1. Tỉ lệ điện năng được khai thác vào năm 2017 (IEA) thuỷ điện. Thuỷ điện là một nguồn điện linh hoạt, vì số
[1]
ISBN 978-604-80-5958-3 66
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
lượng các trạm có thể thay đổi rất nhanh để thích nghi Hiện tại các hệ thống điện Mặt trời ở Việt Nam, cụ
với nhu cầu năng lượng. Một ưu điểm nữa là turbine thuỷ thể là tại Ninh Thuận đều sử dụng cảm biến ánh sáng.
lực có thời gian khởi động ngắn hơn rất nhiều so với các Với các bất cập kể trên, hệ thống chỉ có thể gia tăng được
turbine khí hoặc nhà máy hơi nước. Và yếu tố tiên quyết, lượng điện năng thêm 20% so với giá Pin cố định. Một
tạo nên sự phát triển của nhà máy thuỷ điện, chính là ví dụ khác là sản phẩm [4] có sử dụng cảm biến ánh sáng
việc không tạo ra carbon dioxide. Song, việc xây dựng điện quang trở để xác định vị trí Mặt trời, hoạt động theo
các công trình thủy điện cũng gây ra một số hậu quả nguyên lý bám đuổi ánh sáng giống hoa hướng dương.
nặng nề. Các hồ chứa lớn gắn liền với nhà máy thuỷ điện Hệ thống này chỉ có thể tăng hiệu suất lên trung bình
truyền thống, dẫn đến việc các khu vực rộng lớn ở phía 10%.
thượng nguồn của các con đập thường bị ngập, thậm chí
Trong bài báo này chúng tôi đề xuất thiết kế, chế tạo
phá huỷ các khu rừng thấp và hệ sinh thái ở các khu vực
một hệ thống Pin năng lượng mặt trời có khả năng tự
đầm lầy, đồng cỏ. Bên cạnh việc ảnh hưởng tới môi
tính toán chính xác vị trí của Mặt trời theo thời gian thực
trường sống của động thực vật, thuỷ điện còn tác động
và tọa độ, luôn điều hướng để tấm Pin quay về hướng
trực tiếp tới đời sống của những con người sống trong
thu nhận được nhiều ánh sáng Mặt trời nhất, từ đó đảm
khu vực đập. Việc di dời và tái định cư cho các hộ dân
bảo hiệu suất sản sinh năng lượng điện. Từ kết quả khảo
luôn là vấn đề phức tạp tại bất kì quốc gia nào.
sát, chúng tôi nhận thấy rằng tấm Pin luôn quay vuông
Với những bất cập kể trên, điện Mặt trời nổi lên như góc chính xác với tia sáng Mặt trời trong bất kỳ điều kiện
một giải pháp với nhiều ưu điểm vượt trội, hiện đang thời tiết, tại bất cứ địa điểm nào, hệ thống hoạt động ổn
được nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam phát định, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và các tác nhân bên
triển. Tuy nhiên, việc sử dụng tấm Pin Mặt trời cũng cần ngoài. Hiệu suất và điện lượng được cải thiện đáng kể
phải đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật như phương chiếu trong khi nhiệt độ không thay đổi.
sáng của Mặt trời phải vuông góc với bề mặt Pin, thì hiệu
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong
suất mà tấm Pin đem lại mới đạt tối đa. Nhưng một sự
phần II, chúng tôi phân tích lý thuyết mô hình hệ thống.
thật đặt ra ở đây, trong khi tấm Pin nằm yên, Trái đất lại
Trong phần III, chúng tôi trình bày việc thiết kế, chế tạo
luôn chuyển động xoay quanh Mặt trời. Điều này đồng
và các kết quả đạt được. Cuối cùng, chúng tôi kết luận
nghĩa với việc góc giữa tia sáng và bề mặt tấm Pin luôn
bài báo trong phần IV.
thay đổi. Do đó lượng điện sinh ra từ tấm Pin không
được ổn định, đem lại hiệu quả khai thác điện năng thấp, II. PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT
đặc biệt vào thời điểm góc chiếu tới lớn. Điều này đặt ra
cho chúng ta câu hỏi, tại sao chúng ta không chế tạo một 1. Hoạt động của PIN năng lượng Mặt trời
hệ thống tự động điều hướng cho tấm Pin, nhằm đảm Điện Mặt trời, hay còn được gọi là quang điện hay
bảo bề mặt tấm Pin luôn được vuông góc với phương quang năng, là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật
chiếu ánh sáng Mặt trời, từ đó tạo hiệu suất hoạt động biến đổi ánh sáng Mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ
sinh điện cao nhất cho tấm Pin? Pin Mặt trời [5].
Hiện nay, có một số hệ thống tự động điều hướng Hệ thống điện Mặt trời hoạt động được là nhờ có các
tấm Pin quay theo hướng ánh sáng Mặt trời đã được tế bào quang điện. Kích thước của những tế bào này rất
nghiên cứu hoặc sản xuất [3]. Những thiết bị này thường đa dạng, một số thì nhỏ hơn cả một chiếc tem, số khác
sử dụng cảm biến ánh sáng hoặc thiết lập lệnh điều khiển lại có kích thước chiều ngang lên tới 12 cm. Những tế
cố định theo thời gian trong ngày để tấm Pin quay tương bào quang điện được cấu tạo bởi vật liệu bán dẫn. Chúng
đối theo hướng Mặt trời. Tuy nhiên với những thiết lập hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp, và có
trên, các hệ thống này thường gặp phải một số vấn đề tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Để đáp ứng được những
như: tính chất này, chất bán dẫn được làm bằng silicon. Mặt
trên và mặt dưới của các tế bào thường có các điểm tiếp
- Hệ thống điều hướng tấm Pin Mặt trời dựa trên
xúc bằng kim loại, nơi mà dòng điện có thể chạy qua.
khung thời gian được thiết lập sẵn dẫn tới việc tấm
Pin không thể quay hoàn toàn chính xác về hướng Mỗi tế bào có hai lớp silicon, loại N và P, với những tính
Mặt trời. Điều này xảy ra do tấm Pin chỉ quay theo chất khác nhau. Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với
năng lượng, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển
các góc quay được thiết lập cố định, nhưng thời gian
sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các
Mặt trời chiếu sáng và quỹ đạo di chuyển của Mặt
electron từ điện cực N và điện cực P cùng nhau tạo ra
trời luôn thay đổi theo từng ngày, đặc biệt theo mùa.
điện trường. Các tế bào năng lượng Mặt trời sẽ trở thành
- Hệ thống điều hướng tấm Pin Mặt trời sử dụng cảm một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực N
biến ánh sáng có thể gặp phải nhiễu do các nguồn đến điện cực P, không cho phép di chuyển ngược lại [5].
sáng khác, khiến chúng hoạt động không chính xác, Để kích hoạt quá trình này cần có năng lượng tiếp
ví dụ như tia chớp kéo dài, ánh sáng phản chiếu từ xúc với các tế bào silicon. Và ánh sáng Mặt trời chính là
các tấm kính tòa nhà, ánh đèn chiếu vào hay sai lệch giải pháp. Ánh sáng này mang theo những hạt photon
do bụi bẩn bám vào. với năng lượng rất lớn, có thể tiếp xúc với các tế bào
ISBN 978-604-80-5958-3 67
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
quang điện, từ đó nới lỏng các liên kết của các electron Trong bài báo [4] tác giả đã nghiên cứu, thiết kế hệ
ở điện cực N. Sự di chuyển của các electron tự do từ điện thống điện mặt trời có cơ cấu định hướng theo vị trí Mặt
cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện. Khi điện trường trời để thu được nhiều năng lượng. Tổng dòng tích lũy
được tạo ra, ta thu thập và chuyển hóa chúng thành dòng trong một ngày của hệ thống đạt được cao hơn so với
điện có thể sử dụng. Một bộ biến tần được gắn với các thiết bị đối chứng từ 20-30%. Ngoài ra, việc sử dụng góc
tế bào quang điện sẽ biến dòng điện từ một chiều (DC) quay thiết lập sẵn mà vị trí Mặt trời mỗi ngày là khác
thành dòng điện xoay chiều. Một tế bào quang điện chỉ nhau, nên góc quay được thiết lập sẵn sẽ không tối ưu.
có thể tạo ra một lượng nhỏ điện năng. Chính vì vậy, để 2. Cách thức xác định vị trí của Mặt trời
đáp ứng những nhu cầu trong cuộc sống, những tế bào
Với sự ra đời của hệ thống vi điều khiển Arduino và
này thường phải được liên kết với nhau, tạo thành
các phần cứng liên quan để điều khiển động cơ bước,
module, hay còn gọi là tấm Pin năng lượng Mặt trời.
việc sản xuất tấm Pin năng lượng Mặt trời có khả năng
Những tấm này thường có thể tạo ra lượng điện năng lên
tự định hướng dựa trên những thiết bị này đã được rất
tới vài trăm watt.
nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Có hai cách
cơ bản để hiện thực hóa ý tưởng này. Ở phương pháp
đầu tiên, người ta sử dụng cảm biến ánh sáng (thường
lên tới bốn chiếc trên một hệ thống) để xác định vị trí
Mặt trời bằng cách tìm kiếm nguồn sáng mạnh nhất. Sau
đó sử dụng hai động cơ bước để điều khiển hai trục quay,
hướng tấm Pin quay chính xác về phía Mặt trời. Tuy
nhiên, phương án này đòi hỏi việc thiết lập quản lý các
cảm biến ánh sáng phải thực sự hiệu quả. Hệ thống này
có thể dễ dàng xảy ra lỗi nếu có những nguồn sáng khác
thường xuất hiện vào thời điểm trời nhiều mây hoặc
đang mưa. Điều này đặt ra một bài toán mới cần được
Hình 3. Cấu tạo tấm PIN Mặt trời [5]
giải quyết. Phương pháp thứ hai được xây dựng dựa trên
Pin năng lượng Mặt trời hoạt động tối ưu khi tấm
một nền tảng lý thuyết về vị trí của Mặt trời – cụ thể ở
Pin được đặt vuông góc với phương chiếu của ánh sáng
đây là độ cao và góc phương vị - những yếu tố có thể
Mặt trời. Vì lí do kể trên, những tấm này thường được
được tính toán dựa trên các phương trình thiên văn nổi
đặt trên những hệ thống “theo dõi”. Những hệ thống này
tiếng. Để có thể triển khai được phương án này, đòi hỏi
có thể xoay tấm Pin dọc theo hướng di chuyển của Mặt
ta cần cung cấp cho hệ thống những thông số kinh độ và
trời, để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động hiệu quả nhất.
vĩ độ chính xác (những yếu tố có thể dễ dàng tìm kiếm
Tuy nhiên các hệ thống theo dõi vị trí Mặt trời hiện tại
thông qua Internet) [6].
thường sử dụng cảm biến ánh sáng để xác định phương
a) Tính ngày Julian
hướng. Điều này vô hình chung gây ra một điểm bất lợi
Nếu tháng > 2, thì y’ và m’ không thay đổi;
cho hệ thống trong những ngày thời tiết xấu. Vào những
Nếu tháng ≤ 2, y’ = năm – 1, m’ = tháng +12
ngày mưa hoặc trời nhiều mây, các cảm biến ánh sáng
A = phần nguyên (y’/100);
của hệ thống khó có thể xác định được chính xác vị trí
B = 2 + A + phần nguyên (A/4)
của Mặt trời. Chính vì vậy, trong bài báo này, sẽ nghiên
Ngày Julian (phần nguyên) = phần nguyên
cứu phương án tối ưu để giải quyết được vấn đề tồn đọng
[365.25 * (y’ + 4716) + phần nguyên (1)
trên.
[30.6001 * (m’ + 1)] + ngày + B – 1524.5
Trong bài báo [3] nhóm tác giả đã nghiên cứu và chế
tạo thành công mô hình hệ thống hướng sáng cho Pin
Ngày Julian (phần thập phân) = (giờ +
mặt trời. Dù đã có kết quả như mong đợi tuy nhiên vẫn (2)
phút/60 + giây/3600)/24 – 0.5
còn khuyết điểm như sự sai lệch góc do nhiễu ở servo,
b) Tính toán vị trí Mặt trời
năng lượng thu vào quá thấp, hệ thống sử dụng cảm biến
điện quang trở, thiết kế cảm biến cho hệ thống đòi hỏi Phần này sẽ xác định vị trí của Mặt trời trong hệ tọa
việc thu nhận dữ liệu, độ mạnh yếu, hướng sáng của cảm độ hoàng đạo trước, sau đó sẽ chuyển đổi thành vị trí tọa
biến. Do đó phải sử dụng 4 cảm biến điện quang trở đặt độ theo phương xích đạo của Trái đất, thông qua kinh
tách biệt và thu về những dữ liệu tách biệt để so sánh. tuyến Greenwich [7, 8].
Điều này gây ra sự phức tạp cho hệ thống, vì càng nhiều T là số thế kỷ Julian (36525 ngày) kể từ 12:00:00 UT,
cảm biến đồng nghĩa với việc càng nhiều nhiễu có thể ngày 1/1/2000.
xảy ra. Bên cạnh đó, như đã trình bày ở trên, việc sử
dụng cảm biến có thể gây ra nhiều trở ngại do tình hình T = (Ngày Julian – 2451545)/36525 (3)
thời tiết, cũng như bụi bẩn bám trên bề mặt. Động cơ của Kinh độ Mặt trời (đơn vị: độ)
hệ thống này khá yếu, chỉ có thể quay được những tấm
Pin nhỏ. Không có hệ thống thống kê để đánh giá hiệu L0 = 280.46645 + 36000.76983 * T +
(4)
suất hoạt động. 0.0003032 * T2
ISBN 978-604-80-5958-3 68
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Điểm dị thường trung bình của Mặt trời (góc giữa III. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ
các đường vẽ từ Mặt trời đến điểm cận nhật B và đến 1. Thiết kế, chế tạo hệ thống
một điểm chuyển dộng trên quỹ đạo với tốc độ đều
tương ứng với chu kỳ quay của hành tinh). Trong phần này, chúng tôi thiết kế và xây dựng hệ
thống mạch điều hướng cho tấm Pin sử dụng bộ vi điều
M = 357.5291 + 35999.0503 * T - khiển Arduino NANO, mô đun thời gian thực DS1307,
(5)
0.0001559 * T2 - 0.00000048*T3 động cơ bước NEMA17, điều khiển động cơ bước
Độ lệch tâm của quỹ đạo Trái đất: Driver TMC2208. Wemos D1 Mini Pro được sử dụng
trong hệ thống với chức năng nhận dữ liệu đo nhiệt độ
e = 0.016708617 - 0.000042037 * T - của Pin năng lượng Mặt trời, hiệu điện thế và cường độ
(6)
0.0000001236 * T2 dòng điện đi từ Pin qua mạch sạc; kết nối với server qua
Phương trình tâm Mặt trời C (đơn vị: độ) giao thức kết nối không dây; chuyển toàn bộ dữ liệu tới
server để người dùng có thể truy cập và quản lý thông
C = (1.9146 - 0.004847 * T - 0.000014 * tin từ xa qua các thiết bị kết nối Internet. Bộ INA219 để
T2) * sin(M) + (0.019993 - 0.000101 * T) (7) đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế đi từ Pin năng
•sin(2 * M) + 0.00029 * sin(3 * M) lượng Mặt trời qua mạch sạc, sau đó gửi dữ liệu về
Kinh độ thực của Mặt trời (đơn vị: độ) Wemos D1 Mini Pro qua giao tiếp I2C. DS18B20 được
sử dụng trong hệ thống với chức năng đo nhiệt độ của
Ltrue = C + L0 (8) tấm Pin năng lượng Mặt trời để gửi về Wemos D1 Mini
Điểm dị thường trung bình chính xác của Mặt trời Pro nhằm kiểm soát nhiệt độ Pin, đảm bảo tuổi thọ hoạt
(đơn vị: độ) động của tấm Pin (Hình 4 và 5).
f=M+C (9)
Khoảng cách từ Mặt trời tới Trái đất
R = 1.000001018 * (1 – e2)/ [1 + e*cos(f)] (10)
Góc giờ Greenwich (đơn vị: độ)
280.46061837 + 360.98564736629 * (ngày
Julian - 2451545) + 0.000387933 * T2 – (11)
T3/38710000
Độ nghiêng của đường xích đạo (đơn vị: độ)
Hình 4. Sơ đồ kết nối các linh kiện của mạch điều hướng
23 + 26/60 + 21.448/3600 - 46.815/3600 *
T – (0.00059/3600) * T2 + (0.001813/3600) (12)
* T3
Xích kinh độ:
tan-1 [(sin(Ltrue) * cos(độ nghiêng đường
(13)
xích đạo)/cos(Ltrue)]
Độ nghiêng:
sin-1[sin(độ nghiêng đường xích đạo)
(14)
*sin(Ltrue)]
Góc giờ:
Hình 5. Sơ đồ mạch điều hướng sau khi lắp đặt
Góc giờ Greenwich + L0 – Xích kinh độ (15)
Góc phương vị của Mặt trời
tan-1 {sin(góc giờ)/[cos(góc giờ) * sin(L0) –
(16)
tan(độ nghiêng) * cos(L0)]}
Độ cao của Mặt trời
sin-1[sin(L0)*sin(độ nghiêng) + cos(L0) • Hình 6. Sơ đồ tín hiệu điều khiển động cơ
(17)
(cos(độ nghiêng) *cos(góc giờ)]
Hình 6 trình bày sơ đồ tín hiệu điều khiển động cơ,
hệ thống được hoạt động dựa trên các thông tin về thời
ISBN 978-604-80-5958-3 69
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
gian, toạ độ được nhập vào và chuyển tiếp tới hệ thống Hình 9 và 10 mô tả thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển
xử lý trung tâm, từ đó đưa ra những quyết định điều cho hệ thống. Hình 11 là hệ thống Pin hoàn chỉnh sau
hướng tấm Pin năng lượng Mặt trời. Thông tin về thời thiết kế, chế tạo. Thiết bị được gia cố bằng khung nhôm
gian sẽ luôn được lưu trữ trong DS1307, kể cả trong chắc chắn, nhằm đảm bảo có thể chịu được sức nặng của
trường hợp không được cấp nguồn (thời gian lên tới 2 tấm Pin cũng như hệ thống điều hướng. Hệ thống được
năm) [9]. Hệ thống cũng sử dụng các module endstop dẫn động thông qua dây curoa, từ đó có thể đảm bảo sự
quang để xác định điểm gốc. Trước khi bật hệ thống, ổn định về mặt tốc độ khi thay đổi phương hướng của
module này được thiết lập quay về hướng Bắc. Khi được tấm Pin, tránh trường hợp bị văng theo phương không
khởi động, hai động cơ sẽ tự động đưa tấm Pin đến mong muốn do tốc độ quá lớn.
endstop để xác định vị trí điểm gốc.
Hình 7. Sơ đồ kết nối các linh kiện của mạch thống kê
Hình 10. Thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển của hệ thống
Hình 8. Mạch thống kê sau khi chế tạo thành công
Để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều hướng và
thống kê hiệu suất Pin năng lượng Mặt trời theo toạ độ
và thời gian thực, chúng tôi chế tạo mạch thống kê, bao
gồm một cụm các cảm biến điện áp, dòng điện, nhiệt độ, Hình 11. Hệ thống Pin hoàn chỉnh sau chế tạo
vi điều khiển có khả năng kết nối Internet (không dây 2. Kết quả
hoặc có dây), từ đó gửi dữ liệu đo được về máy tính hoặc
điện thoại, thông qua server Blynk. Bên cạnh đó, các Thử nghiệm được tiến hành trong thời gian 48 giờ
thông số này còn được hiển thị trên màn hình OLED của liên tục (vào thời điểm mùa xuân, ít nắng) để xem xét và
hệ thống (Hình 7 và 8). đánh giá hiệu năng của hệ thống. Để đánh giá hiệu năng
của “hệ thống điều hướng và thống kê hiệu suất của Pin
năng lượng Mặt trời theo tọa độ và thời gian thực”,
chúng tôi đã sử dụng mạch thống kê có chức năng đo
cường độ dòng điện, hiệu điện thế từ Pin năng lượng Mặt
trời chuyển tới mạch sạc, từ đó tính ra công suất, số điện
năng Wh thu được từ ánh sáng Mặt trời. Bên cạnh đó, ta
còn thu thập được thông tin về nhiệt độ của hệ thống.
Dựa vào đó, có thể đưa ra những tính toán phù hợp để
duy trì tuổi thọ của thiết bị.
Tất cả các thông số trên được hiển thị trên màn hình
OLED đặt trên mạch, đồng thời gửi qua server Blynk.
Hình 9. Thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển của hệ thống Chúng ta có thể dễ dàng truy cập những dữ liệu này
ISBN 978-604-80-5958-3 70
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
thông qua các thiết bị có kết nối với Internet, như điện lớn hơn 30% so với tấm Pin cố định (không có hệ thống
thoại, máy tính, máy tính bảng… Đặc biệt thông số điện điều hướng). Số liệu này dựa theo hiệu suất trung bình
năng được thống kê dưới dạng biểu đồ thời gian. trong khoảng thời gian thử nghiệm và hoàn toàn có thể
thay đổi phụ thuộc vào các thời điểm trong năm, với các
số giờ có nắng khác nhau theo mùa. Từ những cải thiện
đáng kể về hiệu suất, cùng với chi phí sản xuất thấp, hệ
thống hoàn toàn có thể được cân nhắc để tiến hành đưa
vào sản xuất và sử dụng đại trà.
IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã thiết kế và chế
tạo thành công Hệ thống điều hướng và thống kê hiệu
suất Pin năng lượng Mặt trời theo toạ độ và thời gian
thực, giải quyết được các vấn đề tồn đọng của các hệ
thống Pin năng lượng Mặt trời hiện hành như: Tấm Pin
luôn quay vuông góc chính xác với tia sáng Mặt trời
trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào; hệ thống không sử
dụng cảm biến để điều khiển nên hoạt động ổn định,
không bị nhiễu; có thể đặt bất cứ vị trí nào trên Trái đất,
tấm Pin vẫn luôn đảm bảo quay vuông góc chính xác với
Hình 12. Hiệu suất tấm Pin có hệ thống điều hướng hướng ánh sáng Mặt trời chiếu tới do hệ thống sử dụng
dữ liệu thời gian thực và tọa độ của vị trí đặt hệ thống để
tính toán vị trí của Mặt trời. Các kết quả khảo sát cho
thấy việc sử dụng hệ thống điều hướng và thống kê hiệu
suất Pin năng lượng Mặt trời theo dữ liệu tọa độ và thời
gian thực giúp tăng hiệu suất lên tới 30% so với việc lắp
đặt Pin mặt trời theo một hướng cố định như cách truyền
thống. Với thiết kế gọn gàng, chắc chắn, sản phẩm có
thể được ứng dụng rộng rãi bởi khả năng di động cao
cùng hiệu suất mang đến vượt trội, giá thành không quá
cao so với việc lắp đặt truyền thống nếu được sử dụng
với số lượng lớn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] VietinBank, “Báo cáo cập nhật Ngành điện”, VietinBank
Securities, 2019.
[2] Wikipedia, Thermal Power Station.
[3] Trần Văn Trưởng , Lê Văn Sơn, Bùi Như Phong, “Hệ thống
hướng sáng PIN Mặt trời”, Tạp san sinh viên nghiên cứu khoa
học số 9, 2019, Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội.
Hình 13. Hiệu suất tấm Pin cố định (không có điều hướng)
[4] Lý Ngọc Thắng, Viện Năng lượng, Bộ Công Thương, “Nghiên
Bảng 1. So sánh hiệu năng giữa tấm Pin cố định và tấm cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí Mặt trời nhằm
Pin có hệ thống điều hướng nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị dùng năng lượng Mặt
trời”.
[5] Richard Hantula, “How do Solar panels work”, Infobase
Đại lượng Tấm Tấm Pin có Tỉ lệ tăng hiệu Publishing, U.S.A, 2010, pp 14 – 17.
Pin cố điều hướng suất [6] Jean Meeus, “Astronomical Algorithm”, Willman-Bell Inc,
định 1998.
[7] David Brooks,“Arduino Uno and Solar Position Calculations”,
Institute for Earth Science Research and Education, 2015.
Công suất
586.32 783.54 33.63% [8] Roderick, M L., Methods for calculating solar position and day
Wh length including computer programs and subroutines.
Department of Primary Industries and Regional Development,
Điện tích Western Australia, Perth. Report 137, 1992.
28.454 37.446 31,6% [9] TS. Nguyễn Tất Bảo Thiện, KS. Phạm Quang Huy, “Arduino
Ah và lập trình IoT”, NXB Thanh Niên, 2020.
Theo như kết quả thống kê và dữ liệu trên Hình 12,
13, với hệ thống điều hướng, lượng điện năng thu được
ISBN 978-604-80-5958-3 71
nguon tai.lieu . vn
