Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

Tóm tắt công trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2013-2014
Mã số:…..
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI
Sinh viên : Đoàn Thanh Sơn
Phạm Văn Trưởng
GVHD : TS. Đặng Thái Việt
Khoa/Viện : Cơ khí

CĐT1 CĐT1 -

K54
K54

TÓM TẮT NỘI DUNG
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.
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. Để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất chúng
ta cần một hệ thống điều chỉnh tấm pin luôn hướng về phía mặt trời.
Mục đích của đề tài là tự động hóa quá trình điều khiển định hướng tấm pin mặt trời kể
cả khi bị mây che mất ánh sáng. Đồng thời, cũng thay đổi chế độ điều khiển tự động thành chế
độ điều khiển bằng tay một cách linh hoạt phục vụ trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa.

vậy, nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống tối ưu hóa
hiệu suất pin mặt trời”. Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng công nghệ xác định vùng cực
đại năng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin điện 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.Đó còn là
sự kết hợp giữa cơ khí - điện tử - tin học để đem đến một sản phẩm hoàn thiện có tính ứng
dụng cao, phù hợp với điều kiện hiện tại ở Việt Nam.
Do thời gian, kinh phí có hạn và kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên sản phẩm của
chúng em không thể tránh khỏi thiếu xót và hạn chế, chúng em rất mong nhận được sự góp ý,
chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn.
Chúng em xin trân thành cảm ơn Thầy – TS. Đặng Thái Việt, cùng các thầy cô trong bộ môn
Máy và Ma sát đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này,
chúng em cũng xin trân thành cảm ơn ban lãnh đạo bộ môn đã tạo mọi điều kiện làm việc
cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua.
Hà nội, ngày 2 tháng 5 năm 2014
Nhóm sinh viên thực hiện

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

2


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
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

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

3. Dùng chip vi điều khiển để giám sát, xử lý, đưa ra tín hiệu điều khiển hệ thống.
4. Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ một chiều có sử dụng đĩa encoder.

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

4


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

PHẦN II: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Giới thiệu chung về đề tài
1.1. Nội dung đề tài
Đề tài gồm 3 phần:
1. Thiết kế chế tạo cơ khí
2. Thiết kế chế tạo phần cứng điện tử
3. Thiết kế phần mềm

1.2. Tổng quan sơ đồ của hệ thống

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

5


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

2. Thiết kế, chế tạo cơ khí
2.1.Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống cơ khí:
Nhiệm vụ:
Cơ cấu cơ khí bao gồm các chi tiết nâng đỡ, điều chỉnh tấm pin chuyển động hướng
theo mặt trời.
Yêu cầu:
-

Kết cấu đơn giản.
Đạt độ cứng vững.
Tỉ số truyền lớn.
Chuyển động đạt độ chính xác cao.

2.2. Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí:
Trước khi thiết kế, chúng ta cần phải lựa chọn phương pháp để điều khiển tấm pin hướng
theo mặt trời. Có 2 phương pháp khả thi cho việc điều khiển chuyển động. Phương pháp thứ
nhất là nghiêng tấm pin theo 2 trục để đạt vị trí yêu cầu (hình 2.1a ), phương pháp thứ hai là
đồng thời xoay và nghiêng tấm pin theo 2 trục cũng đạt được kết quả tương tự (hình 2.1b).

Hình 2.1: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ
Sau khi tìm hiểu kĩ 2 phương pháp, chúng em thấy rằng phương pháp thứ 2 xoay và
nghiêng theo 2 trục ít phức tạp hơn. Từ đó, nhóm đã xây dựng hệ thống cơ khí theo phương
pháp này.
Chuyển động quay quanh 2 trục thông qua việc truyền động giữa các cặp bánh răng trụ
và các cặp bánh vít - trục vít.
SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

- Hệ số ma sát nhỏ.
- Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tốn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn.
- Kích thước chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rộng ổ trượt có cùng đường kính ngõng
trục.
- Mức độ tiêu chuẩn hóa và tính lắp lẫn cao, thay thế thuận tiện, giá thành thấp do sản
xuất hàng loạt.
Tuy nhiên ổ lăn có một số nhược điểm:
- Lắp ghép tương đối khó khăn.
- Kích thước hướng kính lớn.
- Lực quán tính tác dụng lên các con lăn khá lớn khi làm việc với vận tốc cao.

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

8


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

Do trục có lắp ghép với các chi tiết máy khác như ổ lăn, bánh răng nên ta chọn trục là loại trục
bậc, tuy có kết cấu phức tạp hơn trục trơn nhưng đảm bảo các điều kiện lắp ghép.

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

9


GVHD: TS. Đặng Thái Việt



10


GVHD: TS. Đặng Thái Việt

Báo cáo nghiên cứu khoa học
2.4.2.Tính các lực tác dụng lên trục
Trục 1:
T1  513Nmm
d  52mm
 w1
'
d w1
 14mm

n  1 vòng / phút
 1 14

Các thông số đầu vào:

Góc ăn khớp:   20o
Góc vít:   7o
 Ft1  2T1 / d w1  19.731N

Lực bánh vít:  Fa1  Ft1 tan   2.423 N
 F  F tan   7.181N
 r1
t1
'

Báo cáo nghiên cứu khoa học

 Fx  Ft1  Ft1'  Fx11  Fx12  0
 Fx11  35.274 N

 F  18.281N
'
 Fy   Fr1  Fr1  Fy11  Fy12  0
 x12


'
 M x  Fa1d w1 / 2  Fy12 l3  Fr1l2  Fr1l1  0  Fy11  19.144 N

 Fy12  14.771N
'

 M y  Fx12l3  Ft1l2  Ft1l1  0
34.067N

z
x

16.762N
29.171N

16.301N

63.846N


766.147
2000

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

2000

12


GVHD: TS. Đặng Thái Việt

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trục 2:
Các thông số đầu vào:

T2  2725 Nmm
d  68mm
 w2
n2  0.013vòng / phút
P  P  40 N
2
 1
M 1  M 2  2000 Nmm
Góc ăn khớp:   20o
Lực bánh răng thẳng:
 Ft  2T2 / d w 2  80.147 N

 Fr  Ft tan   29.171N

21.0
l4

13


GVHD: TS. Đặng Thái Việt

Báo cáo nghiên cứu khoa học

 Fx  Ft  Fx 21  Fx 22  0
 Fx 21  16.301N

 F  63.846 N
 Fy  P1  P2  Fr  Fy 21  Fy 22  0
 x 22


 M x  Pl
1 1  Fr l2  Fy 22  l2  l3   P2  l2  l3  l4   0
 Fy 21  34.067 N

 Fy 22  16.762 N

 M y   Fx 22  l2  l3   Ft l2  0
34.067N

z
x



2

3

840

840
1118.851

766.147
2000

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

2000

14


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

2.4.3.Kiểm nghiệm độ bền
Trục 1:
 M x1  507.316

 M y1  934.761


3

M td 2
 2.409mm  dl 2
0.1 

 Thỏa mãn điều kiện bền

Trục 2:
 M x1  840

 M y1  0

T1  2000
 M  M 2  M 2  840
y1
x1
 1

 M td1 = M 12  0.75T12  1924.99
 d1 

3

M td 1
 3.178  dl1
0.1 

 Thỏa mãn điều kiện bền


 M x 3  840

M y3  0

T3  2000
 M  M 2  M 2  840
y3
x3
 3

 M td3 = M 32  0.75T32  1924.99
 d3 

3

 Thỏa mãn điều kiện bền

M td 3
 3.178  dl 3
0.1 

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

16


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt


Nguồn

Mạch sensor

Mạch so sánh

Mạch Encoder

Mạch xử lý trung tâm

Mạch thời gian thực

Mạch công suất

Động cơ

Hệ thống bao gồm 8 khối:
-

-

Mạch sensor: cung cấp tín hiệu về hướng cho mạch so sánh.
Mạch so sánh: xử lý tín hiệu từ sensor đưa về, rồi đưa tín hiệu vào vi điểu khiển.
Mạch Encoder: cung cấp tín hiệu về số vòng quay được của động cơ cho mạch xử lý
trung tâm giúp xác định góc quay hiện tại của tấm pin.
Mạch xử lý trung tâm: nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển, đồng thời lưu dữ liệu
cho chế độ điều khiển tự động theo thời gian, hiển thị báo hiệu nguồn, chế độ hoạt
động, hướng quay…
Mạch thời gian thực: cung cấp dữ liệu thời gian thực về ngày, giờ, mùa trong năm
phục vụ cho chế độ điều khiển tự động.

20


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

Do điện trở của cảm biến dao động từ vài Ω tới xấp xỉ 1MΩ nên điện áp ra dao động
trong khoảng từ 0-5V với điện áp cung cấp
= 5V.
Hệ thống bám mặt trời bám theo 2 phương Đông – Tây và Nam – Bắc nên cần sử dụng
2 cặp sensor trên.Tín hiệu điện áp từ 2 cặp sensor này sẽ được đưa vào mạch so sánh để xử lý.
Sơ đồ mạch hoàn chỉnh và linh kiện dùng trong mạch:

Hình 3.3: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh.
Linh kiện:
4 quang điện trở CDS PGM5506 có các đăc tính và thông số kĩ thuật:

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

21


Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Đặng Thái Việt

3.2.Mạch so sánh
Do mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển để nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu
điều khiển nên tín hiệu đầu ra của mạch so sánh phải là tín hiệu logic 0-1(mức 0 ứng với giá

Cầu phân áp hình 1 có sơ đồ tương đương như hình 2 với R2, R3 là 2 điện trở có giá trị thay
đổi. Công thức tính điện áp Vout của cầu:

Do Vcc cố định, nên khi R2, R3 cố định thì điện áp Vout cũng cố định. Hai điện áp cố
định này có giá trị chênh lệch nhau từ vài phần mười vôn tới vài vôn tùy theo yêu câu độ nhạy
của hệ thống do người dùng đặt. Cách mắc này cho phép hệ thống tạo ra ba khoảng điện áp
đầu vào có thể điều chỉnh được.

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

23


GVHD: TS. Đặng Thái Việt

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Điện áp Vout trên chân ra của Opamp được tính theo công thức:
: Khi khuếch đại đảo
: Khi khuếch đại không đảo
Do không có điện trở hồi tiếp (
đó điện áp ra

= ) nên hệ số K trong công thức bằng vô cùng do

chỉ nhận hai giá trị 0V(min) hoặc

(max) ứng với hai giá trị logic 0 và 1.

Tín hiệu dạng số này sẽ được vào mạch xử lý trung tâm để xử lý và xuất tín hiệu điều khiển.

thẳng góc
Mặt trời nghiêng về
phía Tây

Từ cặp giá trị Output 1 và Output 2 chúng ta sẽ biết được vị trí của mặt trời so với tấm pin.
Tương

tự

đối

với

cặp

sensor

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54

Nam

–

Bắc.

24


Báo cáo nghiên cứu khoa học