Đồ án Mô hình xoay pin mặt trời theo hướng mặt trời để thu năng lượng tối đa theo thời gian thực (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Mô hình xoay pin mặt trời theo hướng mặt trời để thu năng lượng tối đa theo thời gian thực (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ MÔ HÌNH XOAY PIN MẶT TRỜI THEO HƯỚNG MẶT TRỜI ĐỂ THU NĂNG LƯỢNG TỐI ĐA THEO THỜI GIAN THỰC GVHD: THS. ĐOÀN TẤT LINH SVTH: QUẢNG MẬU DŨNG MSSV: 10111140 SKL003031 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. TRƢ ỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH XOAY PIN MẶT TRỜI THEO HƢỚNG MẶT TRỜI ĐỂ THU NĂNG LƢỢNG TỐI ĐA THEO THỜI GIAN THỰC SVTH: QUẢNG MẬU DŨNG MSSV: 10111140 Khóa: 2010-2014 Ngành: Cơ Điện Tử GVHD:ThS. ĐOÀN TẤT LINH Tp.Hồ Chí Minh,tháng 7 năm 2014
3. TRƢ ỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH XOAY PIN MẶT TRỜI THEO HƢỚNG MẶT TRỜI ĐỂ THU NĂNG LƢỢNG TỐI ĐA THEO THỜI GIAN THỰC SVTH : QUẢNG MẬU DŨNG MSSV : 10111140 Khóa : 2010-2014 Ngành : Cơ Điện Tử GVHD :ThS.ĐOÀN TẤT LINH Tp.Hồ Chí Minh,tháng 7 năm 2014 2
4. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp.Hồ Chí Minh,ngày17tháng 7 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:Quảng Mậu Dũng MSSV: 10111140 Ngành: Cơ Điện Tử Lớp: 10111CLC Giảng viên hƣớng dẫn: ThS.Đoàn Tất Linh ĐT: Ngày nhận đề tài:1/3/2014 Ngày nộp đề tài:17/7/2014 1.Tên đề tài:MÔ HÌNH XOAY PIN MẶT TRỜI THEO HƢỚNG MẶT TRỜI ĐỂ THU NĂNG LƢỢNG TỐI ĐA THEO THỜI GIAN THỰC. 2.Các số liệu, tài liệu ban đầu:- Pin mặt trời công suất tối đa 14W - Mạch điều khiển 3.Nội dung thực hiện đề tài: -Tính toán công suất mô hình -Nghiên cứu bộ nghịch lƣu DC-AC - Thiết kế và chế tạo mô hình . 4.Sản phẩm:MÔ HÌNH XOAY PIN MẶT TRỜI THEO HƢỚNG MẶT TRỜI ĐỂ THU NĂNG LƢỢNG TỐI ĐA THEO THỜI GIAN THỰC TRƢỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN 3
5. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên:Quảng Mậu Dũng MSSV:10111140 Ngành: Cơ Điện Tử Tên đề tài:MÔ HÌNH XOAY PIN MẶT TRỜI THEO HƢỚNG MẶT TRỜI ĐỂ THU NĂNG LƢỢNG TỐI ĐA THEO THỜI GIAN THỰC. Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: ThS.Đoàn Tất Linh NHẬN XÉT 1.Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện : 2.Ƣu điểm: 3.Khuyết điểm: 4.Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5.Đánh giá loại: 6.Điểm: (Bằng chữ: ) Tp.Hồ Chí Minh,ngày17tháng7 năm 2014 Giáo viên hƣớng dẫn 4
6. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Quảng Mậu Dũng MSSV: 10111140 Ngành: Cơ Điện Tử Tên đề tài:MÔ HÌNH XOAY PIN MẶT TRỜI THEO HƢỚNG MẶT TRỜI ĐỂ THU NĂNG LƢỢNG TỐI ĐA THEO THỜI GIAN THỰC. Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1.Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện : 2.Ƣu điểm: 3.Khuyết điểm: 4.Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5.Đánh giá loại: 6.Điểm: (Bằng chữ: ) Tp.Hồ Chí Minh,ngày tháng năm 20 Giáo viên phản biện 5
7. LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Tất Linh đã tận tình hƣớng dẫn, góp ý, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt khoảng thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô bộ môn Cơ Điện Tử và các bạn trong lớp Cơ Điện Tử 10111CLC đã giúp em hoàn thành đề tài tốt đẹp. Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và ngƣời thân đã hỗ trợ tất cả mọi điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp. Vì đồ án này em làm một mình nên còn nhiều hạn chế nên việc tìm hiểu thêm tài liệu để làm giàu thêm đồ án còn thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc nhiều sự phê bình của quý thầy cô để hoàn thiện đồ án hơn nữa.Em xin chân thành cảm ơn. Tp. Hồ Chí Minh, 17 tháng 7 năm 2014 Sinh viên thực hiện QUẢNG MẬU DŨNG i
8. TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI Nghiên cứu và thiết kế mô hình thu năng lƣợng mặt trời ,xoay theo hƣớng mặt trời để thu đƣợc tối đa nguồn năng lƣợng mặt trời.Ứng dụng của mô hình đểtạo dòng điện DC và chuyển điện DC sang điện AC. ii
9. ABSTRACT Research anddesign Solar Panel track to the sun model to get maximum power ,applied to create DC and conver DC to AC . . iii
10. MỤC LỤC Lời cảm ơn i Tóm tắt bẳng tiếng Việt ii Tóm tắt bẳng tiếng Anh iii Mục lục iv Danh mục các chữ viết tắt viii Danh mục các bảng biểu ix Danh mục các hình ảnh, biểu đồ x Tài liệu tham khảo xiii Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 Chƣơng 3 NỘI DUNG 10 3.1 Cấu trúc và nguồn năng lƣợng mặt trời 10 3.1.1 Cấu trúc mặt trời 10 3.1.2 Năng lƣợng mặt trời 12 3.1.3 Phổ bức xạ mặt trời 12 3.2 Bức xạ của năng lƣợng mặt trời và đo lƣờng bức xạ năng lƣợng mặt trời 15 3.2.1Bức xạ năng lƣợng mặt trời 15 3.2.2Đo lƣờng bức xạ năng lƣợng mặt trời 16 3.3 Pin năng lƣợng mặt trời và hệ thống nguồn pin năng lƣợng mặt trờiError! Bookmark not defined. 17 3.3.1 Mở đầuError! Bookmark not defined. 17 3.3.2 Cơ sở pin năng lƣợng Mặt Trời Error! Bookmark not defined.18 3.3.3 Pin Năng lƣợng Mặt Trời - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1920 3.3.3.1 Cấu tạo Error! Bookmark not defined.20 iv
11. 3.3.3.2 Nguyên lý hoạt động 2122 3.3.4 Sơ đồ tƣơng đƣơng và các đặc trƣng quang điệnError! Bookmark not defined. 22 3.4 Bộ truyền trục vít bánh vít 24 3.4.1. Khái niệm. 24 3.4.2. Phân loại, ƣu, nhƣợc điểm 25 3.4.2.1 Phân loại 25 3.4.2.2Ƣu điểm 26 3.4.2.3Nhƣợc điểm 26 3.4.3 Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền trục vít bánh vít 26 3.4.4. Kết cấu bánh vít 27 3.4.5. Vận tốc và tỉ số truyền 28 3.4.6 Lực tác dụng trong bộ truyền trục vít 29 3.4.7 Các dạng hỏng 30 3.5 Động cơ bƣớc 30 3.5.1 Giới thiệu 30 3.5.2 Các loại động cơ bƣớc 32 3.5.2.1 Động cơ thay đổi từ trở 32 3.5.2.2 Động cơ bƣớc dùng nam châm vĩnh cửu 33 3.5.2.3 Động cơ bƣớc kết hợp hai loại trên 33 3.5.3 Dây cuốn động cơ 34 3.5.3.1 Đơn cực 34 3.5.3.2 Lƣỡng cực 34 3.5.4 Chế độ bƣớc 35 3.5.4.1 Full Step 35 3.5.4.2 Half Step 36 3.5.4.3 Micro Step 38 3.6 Modul điều khiển động cơ bƣớc TB6560 39 3.6.1 Giới thiệu 39 v
12. 3.6.2 Cấu trúc module điều khiển động cơ bƣớc tb6560. 39 3.6.2.1 Sơ đồ khối. 39 3.6.2.2 Chức năng các khối. 39 3.6.2.2.1. Khối nguồn. 39 3.6.2.2.2. Khối cách ly quang. 39 3.6.2.2.3 Khối tín hiệu điều khiển. 40 3.6.2.2.4. Khối thiết lập chế độ. 40 3.6.2.2.5. Khối Driver động cơ. 40 3.6.2.2.6. Khối Động cơ. 40 3.7 Vi điều khiển Atmega 8 41 3.7.1 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega 8 41 3.7.2 Chức năng PORTB 42 3.7.3 Chức năng PORTC 43 3.7.4 Chức năng PORTD 43 3.8 Đồng hồ thời gian thực RTC 45 3.8.1 Giới thiệu về thời gian thực DS13307 45 3.8.2 Ghép nối DS1307 với vi điều khiển 46 3.8.3 Tổ chức thanh ghi trong DS1307 47 3.9 Acquy 51 3.9.1Quá trình hoá học trong ắc quy Chì/ Acid. 51 3.9.2 Các sự cố thƣờng gặp ở ắcquy và cách khắc phục 52 3.9.3 Mạch nạp cho ắc quy 53 3.9.3.1 Linh kiện trong mạch 54 3.9.3.2 IC LM 317 54 3.10 Bộ đổi điện Inverter 56 3.10.1 Giới thiệu về nghịch lƣu 56 3.10.2 Sơ đồ khối 57 3.10.3 Các linh kiện cần dùng khi làm mạch 57 3.10.4 Biến Áp. 58 vi
13. 3.10.4.1. Cấu tạo 58 3.10.4.2Nguyên tắc hoạt động của biến áp 58 3.10.5 Nguyên Lý Hoạt Động bộ inverter. 61 3.11 Mô hình và các bản vẽ 63 Chƣơng 4 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƢƠNG TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN 75 4.1 Sơ đồ giải thuật 75 4.1.1 Sơ đồ giải thuật phần MANUAL 75 4.1.2 Sơ đồ giải thuật phần AUTO 76 4.2 Chƣơng trình vi điều khiển 77 Chƣơng 5 KẾT QUẢ SO SÁNH , THỰC NGHIỆM , PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP 84 5.1 Kết quả so sánh 84 5.2 Thực nghiệm 85 Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 87 6.1 Kết luận 87 6.2 Hƣớng phát triển 87 PHỤ LỤC 88 vii
14. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC : Alternating Current DC : Direct Current BOS:Balance Of System. PM :Permanent Magnet CMOS :Complementary Metal-Oxide-Semiconductor IC : Integrated Circuit RTC : Real Time Clock BCD :Binary Coded Decimal ADC :Analog Digital Converter PWM :Pulse Width Modulation RAM : Random Access Memory UART : Universal Asynchronous Receiver Transmitter I/O : Input/Output SPI : Serial Peripheral Bus SCK : Serial Clock MISO : Master Input Slave Output MOSI : Master Ouput Slave Input SS: Slave Select GND : Ground VCC :Voltage common collector. I2C : Inter Integrated Circuit SDA : Serial Data SCL : Serial Clock RXD : Transmitted Data TXD : Reveived Data viii
15. INT : Interrupt DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng phân bố phổ bức xạ Mặt Trời theo bƣớc sóng 14 Bảng 3.2 :Bảng màu sắc và bƣớc sóng của ánh sáng Mặt Trời 15 Bảng 5.2 : Bảng so sánh năng lƣợng giữa khi tấm pin mặt trời khi gắn cố định và khi có bộ điều khiển 85 Bảng phụ lục :Bảng “Mặt trời mọc và lặn”ở TP.HCM 88 ix
16. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH , BIỂU ĐỒ Hình 1.1 : Dàn khoan dầu mỏ trên biển 1 Hình 1.2: Nhà máy hạt nhân 2 Hình 1.3 : Lấy điện từ năng lƣợng gió 2 Hình 1.4: Tàu du lịch của Mỹ dùng pin mặt trời 3 Hình 2.1: Mô hình Solar Tracker ở nƣớc ngoài 5 Hình 2.2:Dàn pin mặt trời khổ lớn xoay theo 1 trục 6 Hình 2.3: Hệ thống solar tracker 2 trục 7 Hình 3.1: Phần bên trong của mặt trời 11 Hình 3.2 : Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 13 Hình 3.3 : Trực xạ kế 17 Hình 3.4 : Nhật xạ kế 17 Hình 3.5 : Các quá trình lƣợng tử trong hệ 2 mức và 2 vùng năng lƣợng 18 Hình 3.6 : Cấu tạo của pin mặt trời 20 Hình 3.7 : Pin mặt trời của mô hình 21 Hình 3.8 : Sơ đồ tƣơng đƣơng của pin mặt trời và đƣờng đặc trƣng sáng của pin 23 Hình 3.9 : Cấu tạo của bộ truyền trục vít bánh vít 24 Hình 3.10 : Trục vít trụ và trục vít lõm 25 Hình 3.11: Trục vít Acsimet , Convolut , Thân khai 25 Hình 3.12 : Các thông số hình học của bộ truyền trục vít bánh vít 26 Hình 3.13 : Kết cấu bánh vít 28 Hình 3.14 : Góc vít γ của đƣờng xoắn ốc 28 Hình 3.15: Lực tác dụng trong bộ truyền trục vít 29 31 x 32 33
17. Hình 3.16 : Hệ thống động cơ bƣớc Hình 3.17 : Động cơ biến từ trở Hình 3.18 : Động cơ bƣớc dùng nam châm vĩnh cửu Hỉnh 3.19 : Động cơ bƣớc loại Hybird 34 Hình 3.20 : Dây quấn đơn cực 34 Hình 3.21: Dây quấn lƣỡng cực 34 Hình 3.22:Moment ở chế độ toàn bƣớc 35 Hình 3.23:Moment ở chế độ bán bƣớc 37 Hình 3.24:Moment ở chế độ vi bƣớc 38 Hình 3.25 :Sơ đồ khối modul TB6560 39 Hình 3.26 : Sơ đồ ghép nối với vi điều khiển 40 Hình 3.27 : Mạch TB6560 41 Hình 3.28 : Sơ đồ chân vi điều khiển atmega8 41 Hình 3.29 : Chức năng các chân PORTB 42 Hình 3.30 : Chức năng các chân PORTC 43 Hình 3.31: Chức năng các chân PORTD 43 Hình 3.32 : Mạch atmega8 của mô hình 44 Hình 3.33 : Mạch RTC 45 Hình 3.34 : Mạch RTC kết nối với vi điều khiển 46 Hình 3.35 : Thanh ghi thơi gian thực 47 Hình 3.36 : Tổ chức thanh ghi trong datasheet thời gian thực 48 Hình 3.37 : Sơ đồ mạch RTC 51 Hình 3.38 : Mạch nạp acquy 53 Hình 3.39 : Chân của IC LM 317 54 Hình 3.40 : Sơ đồ nguyên lí LM 317 trong mạch 55 Hình 3.41 : Sơ đồ nguyên lí trên proteus 56 Hình 3.42 : Sơ đồ khối mạch nghịch lƣu 57 Hình 3.43 :Cấu tạo của biến áp 58 Hình 3.44 : Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lƣu 60 62 xi
18. Hình 3.45 : Bộ đổi điện của mô hình Hình 3.46 : Mô hình thu năng lƣợng mặt trời 63 Hình 3. 47 : Mô hình trong solidworks 64 Hình 3.48 : Bản vẽ bánh vít 65 Hình 3.49 :Bản vẽ động cơ bƣớc 66 Hình 3.50 : Bản vẽ pin mặt trời 67 Hình 3.51 : Bản vẽ tấm đế dƣới 68 Hình 3.52 : Bản vẽ tấm đế trên 69 Hình 3.53 : Bản vẽ tấm gá động cơ 70 Hình 3.54 : Bản vẽ tấm nối đế trên với trục mô hình 71 Hình 3.55 : Bản vẽ tấm nối pin với bánh vít 72 Hình 3.56 : Bản vẽ trục chính của mô hình 73 Hình 3. 57: Bản vẽ trục nối 2 tấm đế 74 Hình 4.1: Sơ đồ giải thuật phần MANUAL 75 Hình 4.2: Sơ đồ giải thuật phần AUTO 76 Hình 5.1: Đồ thị biểu diễn mức năng lƣợng khi có gắn bộ điều khiển 84 xii
19. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2010) . “ Giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí- tập 1” , Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam, 272 trang. 2. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2010) . “ Giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí- tập 2” , Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam, 232 trang. 3. Web: troi-32282/ 45219/ 633384091506122500/Lich-phap-va-cac-loai-lich-Dong-phuong/Su-phan- dinh-cua-4-mua.htm khi%E1%BB%82n-%C4%90%E1%BB%98ng-c%C6%A0- b%C6%AF%E1%BB%9Ac.335/ co-buoc-step-motor-12131/ xiii
20. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN Nhân loại đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triển vƣợt bậc về khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới. Đồng hành cùng sự phát triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lƣợng không tái tạo là dầu mỏ, than đá, điện năng Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt với nhiều nguy cơ do sự phát triển đó mang lại nhƣ hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trƣờng, thiên tai, Theo ƣớc tính của Liên Hợp Quốc thì trong vòng một trăm năm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lƣợng dầu mỏ mà thế giới có đƣợc và dự báo trong vòng 30 năm tiếp theo thì nhu cầu này sẽ tăng lên gấp ba,tuy nhiên đối với mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ thì nhu cầu về năng lƣợng là không thể không có và nó là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của bản thân quốc gia đó, đặc biệt là đối với các quốc gia đang phát triển. Hình 1.1 : Dàn khoan dầu mỏ trên biển 1
21. S K L 0 0 2 1 5 4