Nghiên cứu Khoa học
Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời
1. SƠ ĐỒ HỆ THỐNG
Hình 1: Sơ đồ hệ thống.
Giải thích chi tiết các khối hệ thống:
Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng Module Raspberry Pi Pico và Module ESP32. Raspberry Pi Pico là vi điều khiển có chức năng nhận giá trị từ các cảm biến, vừa điều khiển khối động cơ. Còn về ESP32, có chức năng nhận giá trị từ cảm biến và tương tác với phần mềm trên điện thoại di động thông qua mạng Internet.
Khối điều khiển thiết bị: Gồm module điều khiển động cơ bước để điều chỉnh góc đặt pin và dò tìm điểm công suất cực đại.
Hệ thống cảm biến: Gồm cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp.
Chương trình điều khiển trên thiết bị di động có chức năng giám sát và theo dõi các thông số về cảm biến của cảm biến và từ đó cho phép người dùng thiết lập các giá trị phù hợp với sự di chuyển của mặt trời trong ngày qua từ giờ.
Hình 2: Sơ đồ chi tiết của hệ thống.
Giải thích chi tiết các khối hệ thống:
Hệ thống điều khiển:
Raspberry Pi Pico có nhiệm vụ đọc dữ liệu từ cảm biến cường độ sáng và module thời gian thực từ đó thực hiện xử lý theo các giải thật đã được lập trình, căn cứ vào kết quả sau khi xử lý thông tin từ cảm biến và module thời gian thực đưa về mà điều khiển động cơ bước hoạt động cho việc điều hướng pin mặt trời để thu được nhiều năng lượng nhất. Còn ESP 32 có nhiệm vụ đọc dữ liệu từ cảm biến dòng, cảm biến điện áp, cảm biến cường độ sáng từ đó gửi dữ liệu lên smartphone.
Hệ thống cảm biến:
Cảm biến dòng điện: Đọc giá trị dòng điện của tấm pin sinh ra trong quá trình hấp thụ năng lượng từ mặt trời.
Cảm biến điện áp: Đọc giá trị điện áp của tấm pin sinh ra trong quá trình hấp thụ năng lượng từ mặt trời.
Cảm biến cường độ ánh sáng: Đọc giá trị ánh sáng hiện tại để báo về vi điều khiển. Từ đó hệ thống sẽ tự động điều chỉnh động cơ xoay theo giá trị ánh sáng từ cảm biến gửi về.
Ứng dụng trên smartphone:
Người dùng sẽ sử dụng App Blynk để theo dõi và giám sát tình hình hoạt động của hệ thống (dòng điện, công suất, điện áp và mức ánh sáng) và từ đó dựa trên đó điều chỉnh sự điều hướng của hệ thống sao cho thu được nhiều năng lượng mặt trời phù hợp với từ giờ và từng ngày trong tháng. Các thông số sẽ được gửi đến điện thoại thông qua mạng Internet.
Nguồn cung cấp cho hệ thống:
Nguồn 5V sẽ được cung cấp trực tiếp từ ngoài vào cho bộ vi xử lý trung tâm từ đó các cảm biến sẽ lấy nguồn từ vi xử lý để hoạt động.
Bắt đầu chương trình, các cảm biến sẽ cung cấp các thông số, đồng thời module thời gian thực sẽ cung cấp cho chúng ta thời gian hiện tại bao gồm ngày và giờ sẽ được hiển thị lên màn hình LCD và đồng thời sẽ gửi dữ liệu lên app Blynk để giám sát. Hệ thống sẽ dựa vào thông số của cảm biến và thời gian để điều khiển động cơ bước để điều hướng tấm pin mặt trời di chuyển bám theo mặt trời theo từng giờ trong ngày từ đó thu được năng lượng tối ưu nhất trong ngày.
Đầu tiên, từ giá trị của cảm biến cường độ sáng và kết hợp với biểu đồ cường độ sáng trong ngày ta có:
Dựa vào từng khoảng thời gian trong ngày giá trị cường độ sáng (Lux) sẽ khác nhau. Ở đây động cơ bước thứ nhất phục vụ điều hướng sẽ được lập trình để tự động chạy hoặc dừng nếu thỏa mãn điều kiện về mức cường độ sáng theo từng giờ trong ngày. Dựa theo biểu đồ cường độ sáng của từng trong ngày ta có thể xác định như sau:
Ø Lúc 6h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 5000 đến 25000.
Ø Lúc 7h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 10000 đến 55000.
Ø Lúc 8h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 15000 đến 85000.
Ø Lúc 9h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 30000 đến 115000.
Ø Lúc 10h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 55000 đến 140000.
Ø Lúc 11h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 65000 đến 150000.
Ø Lúc 12h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 75000 đến 160000.
Ø Lúc 13h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 75000 đến 155000.
Ø Lúc 14h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 65000 đến 150000.
Ø Lúc 15h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 55000 đến 135000.
Ø Lúc 16h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 35000 đến 115000.
Ø Lúc 17h: Cường độ sáng sẽ dao động từ 10000 đến 90000.
Hình 3: Biểu đồ cường độ sáng trong ngày.
Động cơ bước thứ hai sẽ thực hiện việc nâng hạ tấm pin từ đó tạo ra góc nâng phù hợp để tấm pin vuông góc với đường di chuyển của mặt trời theo từng tháng trong năm từ đó thu được công suất tối ưu trong năm.
Tiếp theo, cảm biến dòng và cảm biến điện áp:
Khi tấm pin bắt đầu được điều hướng và tiếp nhận năng lượng từ mặt trời, cảm biến dòng và cảm biến điện áp sẽ thu thập dữ liệu từ đó suy ra công suất tại thời điểm đó và gửi dữ liệu lên App Blynk.
3.2. Lưu đồ thuật toán tổng quát của hệ thống
Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán tổng quát.
* Mô tả lưu đồ thuật toán tổng quát của hệ thống:
Hệ thống khởi động các cảm biến như cảm biến cường độ sáng, cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, module thời gian thực. Ban đầu hệ thống sẽ đọc các giá trị cảm biến và sẽ gửi các thông số từ cảm biến điện áp và dòng điện lên app Blynk thông qua module ESP32. Sau đó hệ thống sẽ kiểm tra dữ liệu từ cảm biến cường độ sáng và module thời gian thực. Nếu dữ liệu đưa đến bị lỗi sẽ gửi tín hiệu ngược lại yêu cầu gửi lại dữ liệu cảm biến, còn nếu dữ liệu đưa đến đúng thì sẽ thực hiện lệnh tiếp theo. Sau khi nhận dữ liệu đúng từ cảm biến gửi đến Raspberry Pi Pico sẽ thực hiện việc điều khiển động cơ sao cho phù hợp.
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC DUY TÂN
Phòng 503 - K7/25 Quang Trung, Tp Đà Nẵng
(0236) 3827111(Ext 503)
feee@duytan.edu.vn
