ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THỊ KHÁNH HOÀNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG
MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60 52 02 02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU NGỌC AN

Phản biện 1: TS. TRỊNH TRUNG HIẾU

Phản biện 2: TS. LÊ KỶ

Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc
sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học
Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 10 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

sửa chữa)
Thứ ba: Năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và các
ưu điểm khi triển khai xây dựng thành công được Mô hình nhà kính
thông minh sử dụng năng lượng mặt trời.
- Thuận tiện trong việc thí nghiệm.


2
- Giá thành đầu tư thấp.
- Thuận tiện trong việc triển khai hàng loạt các thiết bị.
- Dễ dàng tháo lắp nên thuận lợi cho việc thay thế nhiều thiết
bị trên cùng một mô hình.
- Thuận tiện trong việc bảo trì, và sửa chữa.
- Có thể chứng tỏ được sự ổn định của hệ thống để tăng độ
tin cậy và khả năng đầu tư của các nông hộ.
- Thiết bị ứng dụng giảng dạy được cả ngành Công nghệ sinh
học và Điện công nghiệp nằm trong chương trình giảng dạy của các
trường dạy nghề (các môn Công nghệ sinh học, Bảo vệ thực vật, Kỹ
thuật rau hoa công nghệ cao, PLC cơ bản, PLC nâng cao, Tự động
hóa).
Chính vì những lý do trên học viên chọn xây dựng Mô hình
mô phỏng trực quan nhà kính thông minh sử dụng năng lượng mặt
trời được thiết kế theo mô hình nhà kính hiện đại với kích thước thu
nhỏ. Mô hình ứng dụng công nghệ tự động hóa trong việc quản lý
các yếu tố về độ ẩm, ánh sáng và dinh dưỡng từ đó có thể chủ động
chuyển giao cho các trường có giảng dạy các môn học liên quan đến
đề tài theo đúng yêu cầu sư phạm cũng như bảo trì, sửa chữa.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Mục tiêu: Xây dựng Mô hình phục vụ đào tạo nghề Điện
công nghiệp và Công nghệ Sinh học tại các trường dạy nghề, là giải

của mô hình nhà kính thông minh.
+ Quy trình công nghệ của nhà kính công nghệ cao và hệ
thống tự động hoá – hiện đại hoá trong nông nghiệp.
+ Hệ SCADA tự động thu thập dữ liệu, điều khiển và giám
sát nhà kính.


4
4. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương
pháp nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về năng lượng mặt trời,
cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống pin mặt trời. Các lý thuyết
về PLC, các phần mềm điều khiển (Step7 MicroWin, PC Access,
WinCC,...) và hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát
(SCADA).
- Xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp cho
một mô hình nhà kính thông minh cụ thể.
- Lập trình cho mô hình nhà kính thông minh thu thập dữ liệu,
điều khiển và giám sát trên Máy tính (PC) và điện thoại thông minh
(Smartphone).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản
xuất nông nghiệp công nghệ cao, góp phần phát triền năng lượng mặt
trời, là nguồn năng lượng tái tạo, sạch và được nhà nước khuyến
khích đầu tư. Thiết kế, tính toán, mô phỏng được sự hoạt động của
hệ thống pin năng lượng mặt trời và hoạt động của nhà kính, từ đó có
cơ sở đánh giá tính hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống
trước khi đầu tư xây dựng.
Tính thực tiễn: Góp phần phát triển mô hình nhà kính sử dụng


Kết cấu cơ khí – điện – nước của nhà kính

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của nhà kính thông minh


7
1.1.2. Hệ thống điều khiển của nhà kính thông minh
Hệ thống điều khiển của nhà kính thông minh thông thường
bao gồm các thiết bị điện thông minh tích hợp, hoặc sử dụng các bộ
điều khiển logic có thể lập trình được như PLC, vi điều khiển để điều
khiển – thu thập dữ liệu và giám sát.
1.2. Tổng quan về năng lượng mặt trời và các ứng dụng
của năng lượng mặt trời.
1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời
1.2.1.1. Bức xạ mặt trời:
Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển
và BXMT đến trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa
của các ký hiệu được dùng để biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo
sát là G, I và H. Đơn vị của G là W/m2, đơn vị của I và H là J/m2,
trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ và
ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng
thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn.
1.2.1.2. Nguồn gốc năng lượng mặt trời
Trước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái
sinh. NLMT được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp
các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên
tục xảy ra trên mặt trời . Công suất bức xạ của mặt trời là
3,865.1026W, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016
tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là

phẩm.
Năng lượng mặt trời truyền đến trái đất dưới dạng bức xạ.
Trong những ngày quang đãng (không có mây), phần năng lượng
bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất ở thời điểm cao nhất
khoảng 1000W/m2.


9
CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ KÍNH
THÔNG MINH KẾT HỢP VỚI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
2.1. Hệ thống pin năng lượng mặt trời.
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
2.1.1.1. Cấu tạo của pin mặt trời
a. Cấu tạo bằng Silic
b. Cấu tạo pin Mặt trời
2.1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
a. Hiện tượng quang điện
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi
nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên tới năm
1883 thì một pin mặt trời mới tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ
lên mặt bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối.
Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl được xem là người tạo ra
pin mặt trời đầu tiên 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các
phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng
của pin.
Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng
hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn và tạo
ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một hiệu điện

tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là điôxít chì ở cực
dương, và chì nguyên chất ở cực âm.
2.1.2.2. Các phương pháp phóng và nạp ắc quy
a. Phóng điện ắc quy
Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ
dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
b. Nạp điện ắc quy


11
Việc nạp ắc quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử
dung lượng ắc quy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng
phóng.
2.1.2.3. Các chế độ vận hành ắc quy
a.Chế độ phụ nạp thường xuyên
b. Chế độ phóng nạp xen kẽ
2.1.3. Hệ thống điều phối điện mặt trời
Hệ thống điều phối điện năng trong hệ thống điện pin mặt trời
gồm hai bộ phận cơ bản là bộ điều khiển sạc và bộ biến đổi điện
DC/AC. Tùy theo thiết kế của nhà sản xuất mà hai bộ phần này tách
rời , độc lập với nhau hoặc được tích hợp chung trên một thiết bị.
2.1.3.1. Bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là thiết bị thực hiện
chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá
tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ
thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài.
2.1.3.2. Bộ nghịch lưu
DC-AC Inverter là thiết bị nghịch lưu, chuyển đổi dòng điện
một chiều từ ắc quy (hoặc tấm pin) thành dòng điện xoay chiều cho
tải. Tùy theo nhu cầu mà Inverter được thiết kế với các cấp công

2.2.1.1. Khung bàn để mô hình
2.2.1.2. Khung mô hình nhà kính thông minh
2.2.1.3. Mô hình nhà kính thông minh
2.2.2. Mô tả yêu cầu công nghệ
Nhà kính hoạt động với 2 chế độ: điều khiển trực tiếp (manual),
và điều khiển tự động (auto).
2.3. KẾT LUẬN
Một hệ thống điện pin mặt trời cơ bản gồm có ba thành phần là:


13
- Dàn pin mặt trời (nguồn điện)
- Dàn ắc quy (dự trữ điện năng)
- Hệ thống điều phối điện năng
Có ba mô hình vận hành cơ bản của hệ thống pin năng lượng
mặt trời là
- Mô hình vận hành độc lập
- Mô hình vận hành kiểu lai
- Mô hình vận hành kết nối lưới điện.


14
CHƯƠNG 3 – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ
HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
3.1. Tính toán, lựa chọn đặc tính kỹ thuật của thiết bị
trong mô hình nhà kính thông minh, khảo sát tiềm năng điện
mặt trời tại Khánh Hòa và xây dựng hệ thống pin mặt trời cấp
điện cho mô hình nhà kính.
3.1.1. Thiết bị trong mô hình nhà kính thông minh:

theo điều kiện môi trường tại nơi lắp đặt và tiêu chí kỹ thuật, giá
thành mà lựa chọn thương hiệu phù hợp.
b. Tính chọn các thông số cụ thể của hệ thống pin năng lượng
mặt trời
+ Sản lượng điện năng phụ tải yêu cầu:
Ang=0,96[kWh/ ngày]
+ Điện năng dàn pin cung cấp:
Atr= Ang/ = 0,96 / (0,9.0,9)= 1,19 [kWh/ ngày]
+ Công suất dàn pin mặt trời (Pwp,T) :
Pwp =Atr.Ech /Etbng=(1,19.1000)/4900= 0,24 [kWp]
Pwp,T=Pwp/[ 1+Pc(T-Tch)]=0,24 /[1-0,005.25]= 0,27 [kWp]
+ Số lượng module pin mặt trời
N = K.Pwp,T/Pm=1,1.0,28.1000/160=1,9
Chọn N = 2 tấm (2)
+ Dung lượng dàn ắc quy :
Độ sâu phóng điện DOD = 80%, điện áp dàn ắc quy là 24V.
Hiệu xuất phóng nạp ắc quy là 90%, ta tính được dung lượng dàn ắc
quy:
C = Ang.0,3/(Va.nb.DOD) = 0,96.0,3.1000/(24.0,9.0,8)= 16,7
[Ah] (50)
+ Số lượng bình ắc quy


16
Chọn loại bình có điện áp định mức 12V và dung lượng
50Ah.Khi đó số bình ắc quy mắc nối tiếp là Nnt=2. Ta tính số bình ắc
quy:
Nss=C/ Cb=16,7/50=0,3 [bình], vậy chọn Nss=1
Vậy số bình ắc quy cần sử dụng là N=2.1=2 [bình] (2)
+ Công suất bộ biến đổi DC-DC và bộ điều khiển sạc

3.3. Xây dựng giao diện scada và kết nối với máy tính –
điện thoại thông minh.
3.3.1. Yêu cầu công nghệ.

Hình 3.26: Giao diện mô hình nhà kính thông minh trên PC


18
3.3.2. Thiết lập thuộc tính cho các đối tượng
3.3.3. Kết nối máy tính – điện thoại thông minh
3.4. Lập trình phần mềm thu thập – điều khiển và giám
sát mô hình nhà kính thông minh sử dụng năng lượng
mặt trời trên máy tính và điện thoại thông minh
(smartphone)
3.4.1. Thiết lập cho HMI và PC Access.
3.4.1.1. Thiết lập các màn hình cho HMI

Hình 3.34: Màn hình 1

Hình 3.35: Màn hình 2


19

Hình 3.36: Màn hình 3

Hình 3.37: Màn hình 4

Hình 3.38: Màn hình 5


Tác giả đã xây dựng được mô hình nhà kính thông minh với
các thông số điều khiển như phụ lục 2, 3,4.


23
Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng
cạn kiệt, yêu cầu về an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và sử
dụng nguồn năng lượng tái tạo ngày càng cao thì việc sử dụng hệ
thống năng lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc xe ô tô điện là rất
hợp lý, góp phần vào nãng cao nhận thức của ngýời dân về tiết kiệm
nãng lýợng và khuyến khích sử dụng nãng lýợng mặt trời ở thành
phố Nha Trang nói riêng và Việt Nam nói chung.
4.1. Các vấn đề đã thực hiện trong luận văn
Trong nội dung của luận văn, Tác giả đã thực hiện những nội
dung công việc như sau:
+ Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng
mặt trời và thành phần cơ bản của hệ thống pin năng lượng mặt trời .
+ Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tiêu chuẩn hóa thiết
kế của nhà kính thông minh và các thành phần cơ bản trong nhà kính
thông minh.
+ Tính chọn các thông số cơ bản, xây dựng mô hình nhà kính
thông minh. Theo đó công suất hệ thống pin năng lượng mặt trời lắp
đặt là: 27,76 [kWp]
+ Xây dựng được mô hình nhà kính thông minh bằng các phần
mềm, từ đó khảo sát sự hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt
trotrptrời và nhà kính với các chế độ khác nhau. Kết quả mô hình cho
thấy các thông số tính toán của hệ thông pin năng lượng mặt trời là
phù hợp.
4.2. Hướng mở rộng của đề tài