Tài liệu Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin mặt trời

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CỬ NHÂN CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG XÁC ĐỊNH VÙNG CỰC ĐẠI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA THEO VỊ TRÍ ĐỊA LÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Sinh viên thực hiện NGUYỄN ĐĂNG HÀ CN-CĐT 2 K55 Giáo viên hướng dẫn TS. ĐẶNG THÁI VIỆT Giáo viên duyệt HÀ NỘI, 6/2015 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Viện: Ngành: Lớp: NGUYỄN ĐĂNG HÀ CƠ KHÍ CỬ NHÂN CƠ ĐIỆN TỬ CỬ NHÂN CƠ ĐIỆN TỬ 2 – K55 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin mặt trời. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU Hệ thống dùng cho một hộ gia đình trong một ngày: 700W. Sử dụng tấm pin công suất 200W. NỘI DUNG THUYẾT MINH LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí Chương 3: Thiết kế hệ thống điện tử Chương 4: Lập trình điều khiển và giao diện người dùng KẾT LUẬN Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BẢN VẼ Tên bản vẽ Bản vẽ lắp ghép cơ khí Bản vẽ các chi tiết cơ khí Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống thu gọn Bản vẽ sơ đồ mạch điện hệ thống Tổng số bản vẽ TRƯỞNG BỘ MÔN (ký, ghi rõ họ tên) Số lượng 01 01 01 01 01 Kích thước A0 A0 A0 A0 A0 05 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 SINH VIÊN THỰC HIỆN (ký, ghi rõ họ tên) 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... - TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN: ....................................................................................................................................................... - NỘI DUNG ĐỒ ÁN: ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... - HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh: ................................................................................................................. ....................................................................................................................................................... Bản vẽ: ............................................................................................................................ ....................................................................................................................................................... - NHẬN XÉT KHÁC: ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... - Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... Ngày tháng năm 201 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... - NỘI DUNG ĐỒ ÁN: ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... - HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh: ................................................................................................................. ....................................................................................................................................................... Bản vẽ: ............................................................................................................................ ....................................................................................................................................................... - NHẬN XÉT KHÁC: ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... Ngày tháng năm 201 Giáo viên duyệt (ký tên) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................. 6 MỤC LỤC HÌNH .................................................................................................. 8 MỤC LỤC BẢNG ............................................................................................... 11 LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 13 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 13 1.2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................... 13 1.3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 14 1.4. Lựa chọn phương án thiết kế ..................................................................... 14 1.5. Cơ sở lí thuyết của phương pháp bám mặt trời theo tọa độ địa lí ............. 17 1.6. Tổng quan hệ thống ................................................................................... 24 1.7. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ............................................................ 25 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ................................................. 26 2.1. Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống cơ khí .................................................... 26 2.2. Tính toán và lựa chọn công suất tấm pin .................................................. 26 2.3. Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí ................................................................. 28 2.4. Tính toán tỉ số truyền................................................................................. 30 2.5. Thiết kế trục ............................................................................................... 30 2.6. Các chi tiết cơ khí ...................................................................................... 35 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ .............................................. 39 3.1. Mạch cảm biến .......................................................................................... 40 3.2. Mạch so sánh ............................................................................................. 44 3.3. Mạch xử lý trung tâm ................................................................................ 50 3.4. Mạch công suất cho động cơ bước ............................................................ 54 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.5. Động cơ ..................................................................................................... 56 3.6. Mạch nguồn ............................................................................................... 59 CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG ... 60 4.1. Nhiệm vụ công việc lập trình .................................................................... 60 4.2. Ngôn ngữ lập trình C cho STM32F103 .................................................... 62 4.3. Phần mềm lập trình Keil uVision5 ............................................................ 67 4.4. Mạch và chương trình nạp vi điều khiển STM32F103 ............................. 72 4.5. Code chương trình ..................................................................................... 75 4.6. Hoạt động của hệ thống ............................................................................. 77 4.7. Giao diện người dùng ................................................................................ 78 4.8. Vận hành hệ thống ..................................................................................... 78 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 80 1. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn: .................................................... 80 2. Định hướng phát triển: ................................................................................. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 81 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Biểu đồ so sánh hiệu suất giữa các phương pháp lắp đặt .................... 15 Hình 1.2: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ .................................................. 16 Hình 1.3: Sự chuyển động của mặt trời. .............................................................. 17 Hình 1.4: Sự thay đổi góc nghiêng trong năm ..................................................... 18 Hình 1.5: Góc nghiêng vào hạ chí, xuân phân – thu phân, đông chí. .................. 18 Hình 1.6: Góc nhập xạ. ........................................................................................ 19 Hình 1.7: Góc nhập xạ bằng 0 độ và lên đỉnh đầu vào giữa trưa. ....................... 20 Hình 1.8: Minh họa các góc được sử dụng trong công thức ............................... 21 Hình 1.9: Góc phương vị ..................................................................................... 23 Hình 1.10: Sơ đồ tổng quan hệ thống .................................................................. 24 Hình 2.1: Biểu đồ lực tác dụng lên trục 1 ............................................................ 31 Hình 2.2: Biểu đồ momen trục 1 ......................................................................... 32 Hình 2.3: Biểu đồ lực tác dụng lên trục 2 ............................................................ 33 Hình 2.4: Biểu đồ momen tác dụng lên trục 2 ..................................................... 33 Hình 2.5: Đế ......................................................................................................... 35 Hình 2.6: Ốp trên ................................................................................................. 35 Hình 2.7: Giá đỡ................................................................................................... 36 Hình 2.8: Trục đỡ khâu 2 ..................................................................................... 36 Hình 2.9: Tấm ốp khâu 2 ..................................................................................... 36 Hình 2.10: Bộ truyền trục vít - bánh vít............................................................... 37 Hình 2.11: Bộ truyền bánh răng........................................................................... 37 Hình 2.12: Mô hình thiết kế ................................................................................. 38 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống .................................................................... 39 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điện ................................................................. 40 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến .......................................................... 40 Hình 3.4: Hình dạng thực tế và kí hiệu của quang điện trở. ................................ 41 Hình 3.5: Nguyên lý xác định hướng mặt trời ..................................................... 41 Hình 3.6: 4 cảm biến đặt tại 4 cạnh của khối lăng trụ ......................................... 41 Hình 3.7: Bóng của khối trụ theo góc nghiêng của mặt trời ............................... 42 Hình 3.8: Cấp điện cho cặp cảm biến trong mạch so sánh. ................................. 42 Hình 3.9: Sơ đồ mạch cảm biến hoàn chỉnh ........................................................ 43 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh .......................................................... 44 Hình 3.11: Các khoảng điện áp đầu vào. ............................................................. 46 Hình 3.12: Mạch so sánh dùng 2 opamp ............................................................. 47 Hình 3.13: Cầu phân áp ....................................................................................... 47 Hình 3.14: Sơ đồ mạch nguyên lý ....................................................................... 49 Hình 3.15: Mạch in mạch so sánh ....................................................................... 49 Hình 3.16: Hình 3D mạch so sánh ....................................................................... 50 Hình 3.17: Vi điều khiển STM32F103 ................................................................ 51 Hình 3.18: Cấu hình STM32F103 ....................................................................... 52 Hình 3.19: Sơ đồ khối mạch xử lý trung tâm. ..................................................... 52 Hình 3.20: Buttons ............................................................................................... 52 Hình 3.21: Text LCD ........................................................................................... 53 Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm.............................................. 53 Hình 3.23: Bản vẽ mạch in mạch xử lý trung tâm ............................................... 54 Hình 3.24: Cấu tạo và kí hiệu transistor lưỡng cực ............................................. 55 Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất ....................................................... 55 Hình 3.26: Cấu tạo động cơ bước ........................................................................ 56 Hình 3.27: Stepper Motor KH42JM2-912 ........................................................... 57 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.28: Đồ thị quan hệ tốc độ - momen ......................................................... 58 Hình 3.29: Sơ đồ các cuộn dây ............................................................................ 58 Hình 3.30: Nguồn 12V - 2A ................................................................................ 59 Hình 3.31: Mạch ổn áp một chiều 5V.................................................................. 59 Hình 4.1: Phần mềm Keil C Uvision 5 ................................................................ 67 Hình 4.2: Tạo project trong Keil C ...................................................................... 68 Hình 4.3: Chọn chip ............................................................................................. 68 Hình 4.4: Cửa sổ project mới ............................................................................... 69 Hình 4.5: Thêm file vào project ........................................................................... 70 Hình 4.6: Cấu hình cho project ............................................................................ 70 Hình 4.7: Nhập tần số thạch anh .......................................................................... 71 Hình 4.8: Chọn đường dẫn thư viện .................................................................... 71 Hình 4.9: Viết chương trình trong phần mềm ..................................................... 72 Hình 4.10: Mạch nạp ST-LINK V2. .................................................................... 72 Hình 4.11: Giao diện phần mềm. ......................................................................... 73 Hình 4.12: Giao diện cấu hình nạp chíp của ST Vitual Programmer .................. 74 Hình 4.13: Giao diện ............................................................................................ 74 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời ............................ 14 Bảng 2.1: Nhu cầu sử dụng điện mức trung bình của 1 hộ gia đình ................... 26 Bảng 2.2: Thông số tấm pin mặt trời ................................................................... 28 Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật quan điện trở Cds NORP12 ................................... 43 Bảng 3.2: Opamps lý tưởng và opamps thực tế ................................................... 45 Bảng 3.3: Thông số kĩ thuật IC LM358 ............................................................... 46 Bảng 3.4: Xác định hướng từ cặp cảm biến đưa về ............................................. 48 Bảng 3.5: Cấu hình STM32F103RCT6: .............................................................. 51 Bảng 3.6: Cấu hình động cơ bước ....................................................................... 57 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, nguồn cung cấp điện chủ yếu tại Việt Nam là thủy điện và nhiệt điện. Bên cạnh đó nguồn năng lượng hóa thạch đang bị cạn kiệt, việc sử dụng chúng cũng gây ra sự ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính. Bởi vậy, việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng sạch là rất cần thiết. Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất. Ở Việt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nước ta một lượng bức xạ mặt trời thuộc loại cao nhất trên thế giới (vào khoảng 4.5 – 6 KWh/m2). Do đó, sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rất khả thi. Với mong muốn đưa năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến và phát triển hơn nữa ở Việt Nam, đem những kiến thức đã học được áp dụng vào thực tế sản xuất và đời sống. Vì vậy, nhóm sinh viên em đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt hệ thống pin mặt trời”. Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức đã học, kế thừa và phát triển những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây. Em xin chân thành cảm ơn: Thầy hướng dẫn: TS. Đặng Thái Việt Thầy phản biện: Cùng tập thể thầy cô trong bộ môn máy và ma sát học đã tận tình chỉ bảo để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Hà nội, ngày 4 tháng 6 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đăng Hà Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng. Vấn đề tìm ra các nguồn năng lượng mới, nguồn năng lượng tái tạo được và nguồn năng lượng xanh đang được cả thế giới quan tâm. Cùng với năng lượng gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng cho thấy nhiều hi vọng trong tương lai. Năng lượng Mặt Trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thay thế, với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu. Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin mặt trời. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng. Tại Việt Nam, với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, tính chất phân vùng theo vĩ độ, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao, do đó sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong lĩnh vực đời sống và sản xuất. Muốn thu được năng lượng mặt trời và có thể truyền nó đi được xa hơn, chúng ta cần pin mặt trời để chuyển năng lượng mặt trời từ dạng quang năng sang điện năng. Pin năng lượng mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm pin. Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời hiện nay thường được lắp cố định nên làm giảm hiệu suất thu năng lượng của tấm pin. Vì vậy để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất giải pháp đưa ra là thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời theo hệ vĩ độ của từng địa phương, từ hệ thống vĩ độ của từng địa phương, ta có được góc nhập xạ của mặt trời theo từng ngày, từ đó có thể đảm bảo tấm pin mặt trời luôn vuông góc với tia sáng, nhằm đạt được hiệu suất là lớn nhất. 1.2. Mục tiêu của đề tài • Giải quyết vấn đề của hệ thống cũ, phát triển thêm tính năng để nâng cao hiệu suất hoạt động của tấm pin mặt trời. Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP • Nhiệm vụ: - Giải quyết nhược điểm của hệ thống bám mặt trời bằng cảm biến. - Bổ sung khả năng chuyển chế độ linh hoạt theo từng điều kiện thời tiết. - Kiểm nhiệm độ chính xác của hệ thống. 1.3. Phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ định hướng pin mặt trời nhưng do điều kiện thời gian, kinh phí có hạn, đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau: • Mô hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời để có thể phát triển, áp dụng rộng rãi vào thực tiễn. • Sử dụng hệ thống cảm biến trong nhận biết phương hướng mặt trời, bám theo vùng cực đại năng lượng mặt trời. • Dùng chip vi điều khiển để giám sát, xử lý, đưa ra tín hiệu điều khiển hệ thống. • Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bước. 1.4. Lựa chọn phương án thiết kế Theo [1], em đưa ra các đặc điểm sau đây để xem xét lựa chọn hệ thống: • Một trục chuyển động hoặc hai trục chuyển động. • Có/Không sử dụng thiết bị cảm biến quang. • Tự cung cấp năng lượng hoặc dùng nguồn ngoài. • Bám theo vùng cực đại năng lượng mặt trời hay là di chuyển theo lịch trình đặt trước. • Điều khiển liên tục hay ngắt quãng. • Hoạt động cả năm hay loại trừ mùa đông. a. So sánh giữa các phương pháp lắp đặt tấm pin Đặt cố định Xoay theo 1 trục Xoay theo 2 trục Hiệu suất Thấp Trung bình Cao Độ tin cậy Cao Cao Cao Chi phí Cao Trung bình Thấp Bảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời • Hiệu suất: Do tấm pin luôn chuyển động hướng vuông góc với tia sáng mặt trời nên lượng ánh sáng mà tấm pin thu được là nhiều nhất đồng nghĩa với việc lượng điện năng sản sinh ra là lớn nhất. Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Hệ thống đặt cố định - Hệ thống có định hướng Hình 1.1: Biểu đồ so sánh hiệu suất giữa các phương pháp lắp đặt • Độ tin cậy: hệ thống định hướng nhờ các cảm biến đặt tại bốn phương Đông – Tây, Nam – Bắc, liên tục xác định vị trí, hướng di chuyển của mặt trời, điều khiển tấm pin luôn vuông góc với các tia nắng. Các cảm biến được phủ 1 lớp plastic trong suốt, bền với điều kiện môi trường bên ngoài. Do vậy, hệ thống làm việc rất tin cây. • Chi phí: giá thành của một hệ thống pin mặt trời phụ thuộc chủ yếu vào số lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt. Hệ thống định hướng mặt trời có hiệu suất cao nên sẽ giảm số lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt so với các hệ thống khác nếu cùng công suất. Do đó, chi phí hệ thống giảm. • Từ những phân tích trên, ta thấy rằng một hệ thống định hướng mặt trời xoay theo hai trục ưu việt hơn so với các phương pháp khác về hiệu suất, độ tin cậy và chi phí lắp đặt. b. Phương pháp định hướng Có hai phương pháp khả thi cho việc điều khiển chuyển động. Phương pháp thứ nhất là nghiêng tấm pin theo hai trục để đạt vị trí yêu cầu, phương pháp thứ hai là đồng thời xoay và nghiêng tấm pin theo hai trục cũng đạt được kết quả tương tự. (Hình 1.2) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.2: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ • Sau khi tìm hiểu kĩ hai phương pháp theo [4], em thấy rằng phương pháp thứ hai xoay và nghiêng theo hai trục ít phức tạp hơn. Từ đó, nhóm đã xây dựng hệ thống cơ khí theo phương pháp này. c. Các phương án bám mặt trời • Thụ động Nguyên lí lợi dụng sự chuyển vị của dãn nở vì nhiệt hoặc hợp kim nhớ hình, thông thường gồm hai thiết bị truyền động ngược nhau và được thiết kế cân bằng, qua tác động của ánh sáng và các thiết bị khuếch đại gây ra sự mất cân bằng. Sau khi chuyển vị đến vị trí cân bằng thì hệ thống sẽ dừng. Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, giá thành rẻ. Nhược điểm: Hiệu suất thấp, ngừng hoạt động ở nhiệt độ thấp. • Hoạt động (bám mặt trời) - Dùng vi xử lí và cảm biến quang - Dùng camera - Dùng tấm cảm quang phụ BIFACIAL - Dựa trên địa lí, ngày giờ - Kết hợp giữa cảm biến quang và địa lí, ngày giờ • Dựa trên quan điểm kế thừa và cải tiến hệ thống cũ em lựa chọn phương án kết hợp giữa cảm biến quang và địa lí, ngày giờ. Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.5. Cơ sở lí thuyết của phương pháp chuyển động bám mặt trời theo tọa độ địa lí Dựa trên nguyên lý được trình bày trong [2] để áp dụng và thiết kế hệ thống trong đồ án tốt nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất phát điện của hệ thống pin mặt trời. a. Sự chuyển động của mặt trời Chuyển động biểu kiến của mặt trời được tạo nên bởi trái đất tự quay quanh mình nó và nghiêng trục trái đất, làm thay đổi góc tới của các tia sáng mặt trời. Từ một vị trí cố định trên trái đất, mặt trời xuất hiện và di chuyển khắp bầu trời. Vị trí của mặt trời trên bầu trời phụ thuộc vào điểm ta nhìn trên trái đất, thời gian trong ngày, ngày trong năm. Chuyển động biểu kiến này được thể hiện ở hình dưới đây. Hình 1.3: Sự chuyển động của mặt trời. Chuyển động biểu kiến này có tác động lớn đến lượng điện năng ta thu được vào pin năng lượng mặt trời. Khi tia sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt hấp thụ, hiệu suất hấp thu trên bề mặt pin là lớn nhất. Tuy nhiên, khi góc giữa tia sáng và bề mặt hấp thụ giảm xuống thì hiệu suất hấp thu cũng giảm xuống. Khi bề mặt hấp thụ song song với tia sáng thì hiệu suất gần như bằng 0. Với những góc trung gian còn lại, thì hiệu suất được phụ thuộc vào cos (θ), với θ là góc tới của tia sáng. Góc tới của tia sáng tới một vị trí cố định trên trái đất phụ thuộc vào từng địa điểm cụ thể (vĩ độ của điểm đó), thời gian trong ngày, thời gian trong năm. Ngoài ra thời điểm mặt trời mọc cũng phụ thuộc vào kinh độ của điểm đó. Vì Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vậy, để xác định góc tới của mặt trời tới một vị trí cố định trên trái đất đòi hỏi có vĩ độ, kinh độ, thời gian trong ngày và ngày trong năm. b. Xích vĩ độ (declination angle) Xích vĩ độ là vĩ độ mà tại đó mặt trời chiếu xuống vuông góc với mặt đất. Xích vĩ độ được kí hiệu là δ, góc này thay đổi theo mùa do độ nghiêng của trục trái đất và do sự quay quanh mặt trời của nó. Nếu trục quay của trái đất không nghiêng thì góc này luôn bằng 00, tuy nhiên do trái đất nghiêng 23,450, xích vĩ độ này thay đổi trong năm, cộng hoặc trừ đi giá trị này. Chỉ có vào ngày xuân phân và thu phân, xích vĩ độ này mới bằng 00. Vào ngày hạ chí, mặt trời chiếu vuông góc tại chí tuyến bắc (23.450) và ngày đông chí, mặt trời chiếu vuông góc tại chí tuyến nam (-23.450). Vòng quay của trái đất quanh mặt trời và sự thay đổi của góc nghiêng này được thể hiện ở hình dưới đây. Hình 1.4: Sự thay đổi xích vĩ độ trong năm Sự thay đổi xích vĩ độ đòi hỏi một công thức tính cho một ngày bất kỳ trong năm nhằm tính toán được góc nhập xạ của mặt trời trong ngày tương ứng đó. Hình 1.5: Xích vĩ độ vào hạ chí, xuân phân – thu phân, đông chí. Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Xích vĩ độ có thể được tính theo công thức sau (theo [1]):    360 = δ sin −1 sin ( 23, 45 ) sin  ( d − 81)    365   (1.1) trong đó: d là số thứ tự ngày trong năm, với ngày 1 tháng 1, d = 1. Xích vĩ độ này bằng 00 tại các ngày xuân phân và thu phân (22.3 và 23.9), tăng dần từ 00 trong mùa hè ở bán cầu bắc và giảm dần trong mùa đông của bán cầu nam. Giá trị lớn nhất đạt 23,450 vào ngày 22 tháng 6 (mùa hè tại bán cầu bắc) và nhỏ nhất đạt (– 23,450) vào ngày 22 tháng 12 (mùa hè tại bán cầu nam). c. Góc nhập xạ (elevation angle) Góc nhập xạ (α) tại một điểm A trên trái đất là góc được tạo ra bởi các tia tới của ánh sáng mặt trời hợp với mặt phẳng chân trời của điểm A. Ta còn có thể hiểu đơn giản: góc nhập xạ tại một điểm là góc tạo bởi tia sáng mặt trời với tiếp tuyến của trái đất tại điểm đó, xét trong cùng mặt phẳng. Góc nhập xạ này bằng 00 lúc mặt trời mọc và đạt tối đa khi mặt trời lên đỉnh đầu vào giữa trưa. Góc nhập xạ này thay đổi liên tục trong ngày, nó phụ thuộc vào vĩ độ của địa điểm cụ thể và các ngày trong năm. Hình 1.6: Góc nhập xạ. Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.7: Góc nhập xạ bằng 0 độ và lên đỉnh đầu vào giữa trưa. Một điểm quan trọng của góc nhập xạ đã nói ở trên trong việc thiết kế hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời là góc nhập xạ tối đa lớn nhất trong ngày, đó là lúc mặt trời lên đỉnh vào giữa trưa và góc này phụ thuộc vào vĩ độ từng địa điểm, cũng như phụ thuộc vào xích vĩ độ đã nói ở mục b. Sự hình thành góc nhập xạ được biểu diễn như sau. Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 20