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

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: NGUYỄN ĐĂNG HÀ Viện: CƠ KHÍ Ngành: CỬ NHÂN CƠ ĐIỆN TỬ Lớp: 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 Số lượng Kích thước Bản vẽ lắp ghép cơ khí 01 A0 Bản vẽ các chi tiết cơ khí 01 A0 Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống 01 A0 Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống thu gọn 01 A0 Bản vẽ sơ đồ mạch điện hệ thống 01 A0 Tổng số bản vẽ 05 TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 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 ......