BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG VƯỜN RAU THÔNG MINH
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Ngành: Kỹ thuật điện, điện tử
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HÙNG
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:
VŨ TRẦN NHẤT THỐNG
1711020148
17DDCA1
HUỲNH CÔNG HẬU
1711020211
17DDCA1
HUỲNH ANH TUYỀN
1711020150
17DDCA1
TP. Hồ Chí Minh, 09/2021
LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu
làm đồ án đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của quý
thầy cô và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý thầy cô trong Viện Kỹ
thuật HUTECH – Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM đã cùng với tri thức và tâm
huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời
gian làm đồ án vừa qua. Và đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS
Nguyễn Hùng đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Nếu
khơng có những lời hướng dẫn dạy bảo của thầy thì chúng em nghĩ sẽ rất khó đề có
thể hoàn thành đồ án đúng hạn.
Do kiến thức của chúng em cịn hạn chế và gặp một số khó khăn nhất định trong
lúc thực hiện đồ án nên không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp q báu của q thầy cơ và các bạn học cùng lớp để
kiến thức của chúng em được hoàn thiện hơn.
2
MỤC LỤC
Phiếu đăng ký tên đề tài ĐATN
Phiếu giao nhiệm vụ
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2
MỤC LỤC .................................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... 9
LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 13
Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ............................................................................ 14
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...........................................................................................14
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ..........................................................................14
1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ....................................................................................15
1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ..........................................................................15
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................16
1.6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................................................16
1.7 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI ......................................................................................16
1.8 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN ...............................................................................17
Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP ................................................................... 18
2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .........................................................................18
2.1.1 Tổng quan ............................................................................................... 18
2.1.2 Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam ...................................................... 18
2.2 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................19
2.2.1 Tổng quan ............................................................................................... 19
2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống ........................................ 21
2.2.3 Ứng dụng của hệ thống điện năng lượng mặt trời .................................. 22
2.3 TỔNG QUAN VỀ INVERTER ......................................................................23
3
2.3.1 Inverter là gì? .......................................................................................... 23
2.3.2 Cấu tạo Inverter ...................................................................................... 24
2.3.3 Phân Loại Inverter năng lượng Mặt Trời................................................ 24
2.3.4 Ảnh hưởng của dạng sóng khơng sin tới các thiết bị tiêu thụ điện ........ 26
2.4 HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...................................................27
2.4.1 Pin năng lượng mặt trời là gì? ................................................................ 27
2.4.2 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời ...................................................... 28
2.4.3 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời ................................. 32
2.4.4 Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời ................................................... 36
2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC CHO PIN MẶT TRỜI ...................................................38
2.5.1 Giới thiệu bộ điều khiển sạc ................................................................... 38
2.5.2 Phân loại bộ điều khiển sạc .................................................................... 39
2.6 BỘ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG (ẮC-QUY) ....................................................42
2.6.1 Tổng quan ............................................................................................... 42
2.6.2 Phân loại Ắc quy ..................................................................................... 42
2.6.3 Cấu tạo .................................................................................................... 43
2.6.4 Nguyên lý hoạt động ............................................................................... 44
2.7 BỘ CHUYỂN NGUỒN TỰ ĐỘNG ATS .........................................................45
2.8 CƠNG NGHỆ IOT .....................................................................................45
2.8.1 IOT là gì? ................................................................................................ 45
2.8.2 Cấu trúc ................................................................................................... 46
2.8.3 Các đặc trưng cơ bản .............................................................................. 47
2.8.4 Ưu và nhược điểm .................................................................................. 47
2.8.5 Vai trị và ứng dụng ................................................................................ 47
2.9 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH TRỒNG RAU .....................................................48
2.10 TỔNG QUAN PHẦN CỨNG .........................................................................49
2.10.1 Module Wifi ESP8266 ............................................................................ 49
2.10.2 Module đo công suất AC PZEM-004T................................................... 51
2.10.3 DHT11 .................................................................................................... 54
4
2.10.4 Cảm biến độ ẩm đất ................................................................................ 56
2.10.5 Module Relay.......................................................................................... 59
2.10.6 Động cơ DC bơm nước P385 ................................................................. 60
2.11 CHUẨN GIAO TIẾP UART ........................................................................61
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ........................................................... 62
3.1 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN .............................................................................62
3.1.1 Giải pháp cho hệ thống điện năng lượng mặt trời .................................. 62
3.1.2 Giải pháp cho hệ thống vườn rau thông minh ........................................ 66
3.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .............................................................................67
3.3 GIỚI HẠN NỘI DUNG ................................................................................67
Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................................ 68
4.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ............................................................................68
4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời ....................................... 68
4.1.2 Sơ đồ khối hệ thống vườn rau................................................................. 69
4.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................70
4.2.1 Tính tốn thiết kế hệ thống điện ............................................................. 70
4.2.2 Thiết kế mạch đo điện năng .................................................................... 73
4.2.3 Thiết kế tủ điện ....................................................................................... 75
4.3 THIẾT KẾ VƯỜN RAU ...............................................................................77
4.3.1 Thiết kế mơ hình ..................................................................................... 77
4.3.2 Thiết kế hệ thống vườn rau ..................................................................... 79
4.4 DANH SÁCH THIẾT BỊ SỬ DỤNG ...............................................................80
4.5 CHỐNG SÉT CHO HỆ THỐNG .....................................................................81
4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..............................................................................82
Chương 5: THI CƠNG MƠ HÌNH .......................................................................... 83
5.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ................................................................................83
5.1.1 Lưu đồ giám sát sản lượng điện .............................................................. 83
5.1.2 Lưu đồ giám sát và điều khiển vườn rau ................................................ 84
5.2 LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN .......................................................................85
5
5.2.1 Giới thiệu ................................................................................................ 85
5.2.2 Chuẩn bị .................................................................................................. 85
5.2.3 Tiến hành ................................................................................................ 86
5.3 LẬP TRÌNH GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN .....................................88
5.3.1 Điều khiển qua smartphone với Blynk ................................................... 88
5.3.2 Giám sát thơng số ................................................................................... 95
5.4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ...............................................................................97
5.4.1 Mơ hình mơ phỏng kiến trúc .................................................................. 97
5.4.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điện mặt trời .............................................. 98
5.4.3 Kết quả mô phỏng hệ thống vườn rau .................................................. 100
5.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................................................................. 102
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................. 103
6.1 KẾT LUẬN ............................................................................................. 103
6.2 KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 104
6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 105
6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
IOT
Internet Of Things
ATS
Automatic Transfer Switches
PV
PhotoVoltaics (Quang điện)
NLMT
Năng lượng mặt trời
MC
Multi- Contact
UART
Universal Asynchronous Receiver - Transmitter
CT
Current Tranformer
TTL
Transistor – Transistor Logic
PCB
Print Circuit BoardDO
IC
Integrated Circuit
AVR
Automatic Voltage Regulator
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
NFC
Tiêu chuẩn quốc tế
CB
Circuit Breaker
PWM
Pulse Width Modulating
MPPT
Maximum Power Point Tracker
DB
Distribution Board (Tủ điện phân phối)
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: So sánh 2 loại pin Mono và Poly .............................................................. 36
Bảng 3.1: So sánh các hệ thống điện năng lượng mặt trời........................................ 64
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời SC20-18MD .............................. 71
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của bộ sạc pin mặt trời LMS2410 .............................. 72
Bảng 4.3: Bảng khối lượng điện ............................................................................... 73
Bảng 4.4: Danh sách thiết bị sử dụng trong hệ thống ............................................... 80
8
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Năng lượng mặt trời – Năng lượng sạch ................................................... 18
Hình 2.2: Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình năm ở Việt Nam ................................ 19
Hình 2.3: Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ ............................ 21
Hình 2.4: Ánh sáng chưa đến được những vùng cao ................................................ 23
Hình 2.5: Bộ chuyển đổi điện áp ............................................................................... 23
Hình 2.6: Các dạng sóng đầu ra cơ bản của bộ Inverter ........................................... 24
Hình 2.7: Dạng sóng sin chuẩn ................................................................................. 25
Hình 2.8: Dạng sóng vng ...................................................................................... 25
Hình 2.9: Dạng sóng sin gần giống sin chuẩn........................................................... 26
Hình 2.10: Tấm pin năng lượng mặt trời .................................................................. 27
Hình 2.11: Các thành phần cấu tạo của tấm pin........................................................ 28
Hình 2.12: Khung nhơm bảo vệ ................................................................................ 28
Hình 2.13: Kính cường lực bảo vệ ............................................................................ 29
Hình 2.14: Lớp màng tấm pin ................................................................................... 29
Hình 2.15: Các tế bào quang điện ............................................................................. 30
Hình 2.16: Tấm nền phía sau pin .............................................................................. 30
Hình 2.17: Hộp kết nối dây ....................................................................................... 31
Hình 2.18: Cáp dẫn điện............................................................................................ 31
Hình 2.19: Jack kết nối.............................................................................................. 32
Hình 2.20: Cấu tạo của solar cell .............................................................................. 32
Hình 2.21: Các hạt điện tích bị hút về 2 phía ............................................................ 33
Hình 2.22: Hạt Proton ............................................................................................... 33
Hình 2.23: Lỗ trống bị đánh bật ................................................................................ 34
Hình 2.24: Điện tích bị hút về 2 phía ........................................................................ 34
Hình 2.25: Chiều dịng điện ...................................................................................... 35
Hình 2.26: Electron quay lại lỗ trống ........................................................................ 35
Hình 2.27: Phân loại tấm pin..................................................................................... 36
9
Hình 2.28: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời ................................................... 39
Hình 2.29: Cấu trúc bộ điều khiển sạc PWM ........................................................... 40
Hình 2.30: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc PWM .............................. 40
Hình 2.31: Cấu trúc bộ điều khiển sạc MPPT........................................................... 41
Hình 2.32: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc MPPT ............................. 41
Hình 2.33: Cấu tạo bình ắc quy axit-chì kiểu kín ..................................................... 43
Hình 2.34: Các trạng thái hoạt động của ắc quy ....................................................... 44
Hình 2.35: Thiết bị chuyển nguồn tự động ATS ....................................................... 45
Hình 2.36: Tổng quan IOT ........................................................................................ 46
Hình 2.37: Mơ hình nhà lưới ..................................................................................... 48
Hình 2.38: NodeMCU ESP8266 ............................................................................... 50
Hình 2.39: Sơ đồ các chân của ESP8266 .................................................................. 51
Hình 2.40: Module PZEM – 004T ............................................................................ 52
Hình 2.41: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM 004T ...................................... 54
Hình 2.42: Cảm biến DHT11 .................................................................................... 54
Hình 2.43: Sơ đồ chân cảm biến DHT11 .................................................................. 55
Hình 2.44: Sơ đồ kết nối DHT11 với ESP8266 ........................................................ 55
Hình 2.45: Cảm biến độ ẩm đất ................................................................................ 56
Hình 2.46: Sơ đồ chân của cảm biến độ ẩm đất ........................................................ 57
Hình 2.47: Sơ đồ kết nối của cảm biến độ ẩm đất với ESP8266 .............................. 59
Hình 2.48: Module relay 1 kênh 5V ......................................................................... 59
Hình 2.49: Động cơ bơm nước P385 12VDC ........................................................... 60
Hình 2.50: Giao tiếp UART ...................................................................................... 61
Hình 3.1: Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập .............................................. 62
Hình 3.2: Hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới ............................................. 63
Hình 3.3: Hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới có lưu trữ ............................ 64
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời ......................................... 68
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống vườn rau ................................................................... 69
Hình 4.3: Sơ đồ kết nối phần cứng............................................................................ 73
10
Hình 4.4: Mặt trước và mặt bên cạnh của tủ điện trên AutoCad .............................. 75
Hình 4.5: Các thiết bị bên trong tủ điện .................................................................... 76
Hình 4.6: Bản vẽ kiến trúc ........................................................................................ 77
Hình 4.7: Mặt bằng kiến trúc mặt trước 1 – 2 ........................................................... 77
Hình 4.8: Mặt bằng kiến trúc mặt cắt trục A – B ...................................................... 78
Hình 4.9: Mặt bằng kiến trúc mặt cắt trục A - B điện nước ..................................... 78
Hình 4.10: Mặt bằng mái lắp đặt tấm pin ................................................................. 79
Hình 4.11: Sơ đồ kết nối của vườn rau ..................................................................... 79
Hình 4.12: Phương pháp chống sét ........................................................................... 81
Hình 5.1: Lưu đồ chương trình giám sát sản lượng điện .......................................... 83
Hình 5.2: Lưu đồ chương trình giám sát và điều khiển vườn rau ............................. 84
Hình 5.3: Giao diện màn hình chính của Arduino IDE ............................................ 86
Hình 5.4: Giao diện Arduino IDE ở mục File ........................................................... 86
Hình 5.5: Giao diện tab Preferences ......................................................................... 87
Hình 5.6: Giao diện Arduino ở mục Tools ............................................................... 87
Hình 5.7: Giao diện Arduino IDE đang kiểm tra lỗi và chuẩn bị Upload ................ 88
Hình 5.8: Tạo New Project trên app Blynk ............................................................... 91
Hình 5.9: Tạo giao diện thơng số cảm biến .............................................................. 91
Hình 5.10: Chỉnh thơng số nhiệt độ, độ ẩm .............................................................. 92
Hình 5.11: Tạo thơng số độ ẩm đất ........................................................................... 92
Hình 5.12: Nút nhấn điều khiển và đặt thời gian bơm .............................................. 93
Hình 5.13: Đồ thị thơng tin lưu trữ ........................................................................... 93
Hình 5.14: Lấy token qua E-Mail để cấu hình cho ESP8266 ................................... 94
Hình 5.15: Giao diện sau khi điều chỉnh ................................................................... 94
Hình 5.16: Hiển thị các thông số ở giao diện Home trên app Blynk ........................ 95
Hình 5.17: Giao diện Pin Solar và Tải tiêu thụ trên app Blynk ................................ 96
Hình 5.18: Giao diện Thống kê trên app Blynk ........................................................ 96
Hình 5.19: Giao diện Cài đặt trên app Blynk ............................................................ 97
Hình 5.20: Tổng quan mơ hình mơ phỏng kiến trúc và mơ hình mái ....................... 97
11
Hình 5.21: Hệ thống điện mặt trời mơ phỏng trên Proteus ....................................... 98
Hình 5.22: Các thơng số đo được .............................................................................. 99
Hình 5.23: Hệ thống sau khi đã chạy thử mơ phỏng trên Proteus ............................ 99
Hình 5.24: Hệ thống vườn rau mơ phỏng trên Proteus ...........................................100
Hình 5.25: Hệ thống đang chạy mơ phỏng trên Proteus .........................................100
Hình 5.26: Giá trị nhiệt độ và độ ẩm mơi trường đo được .....................................101
Hình 5.27: Giá trị độ ẩm đất đo được .....................................................................102
12
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao
thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần
thiết. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật mà trong đó đặc biệt là
kỹ thuật điện – điện tử đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật,
quản lý, công nghiệp, nông nghiệp, đời sống, …
Nước ta là một đất nước có tiềm năng về NLMT vì nằm trong khu vực có cường
độ bức xạ mặt trời tương đối cao, do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại
hiệu quả kinh tế lớn. Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là
giải pháp tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, khơng gây ơ nhiễm mơi trường
và có trữ lượng vơ cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát triển ngành công
nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch,
giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ mơi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng
lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt.
Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay
thế những nguồn tài nguyên truyền thống.
Bên cạnh đó nước ta cũng là một đất nước nơng nghiệp, tuy nhiên trong nhiều
năm quy mô cũng như chất lượng và sản lượng nông nghiệp của nước ta luôn thấp
hơn so với các nước khác mà nguyên nhân chính là việc cơng nghệ sản xuất của nước
ta vẫn cịn lạc hậu, chủ yếu dựa vào tay chân. Do đó, IoTs đã và đang dẫn đầu trong
việc cải thiện chất lượng cũng như năng suất nuôi trồng nông nghiệp nước ta hiện
nay. Tất cả được điều chỉnh, điều khiển hoàn toàn tự động và áp dụng công nghệ khoa
học kỹ thuật vào quy trình giám sát và sản xuất. Việc sử dụng cơng nghệ giúp chúng
ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường
nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.Với mục đích muốn tiếp cận với các cơng nghệ
đang phát triển trên. Vì vậy, nhóm thực hiện đồ án với mong muốn chế tạo ra mơ
hình hệ thống vườn rau thơng minh sử dụng nguồn điện từ năng lượng mặt trời và kit
ESP8266 để điều khiển, giám sát bằng app Blynk trên điện thoại thông qua Internet.
13
Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
-
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bật về khoa học công nghệ của xã hội.
Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó thì chúng ta phải đối mặt với nhiều nguy cơ
như thiên tai, hiệu ứng nhà kính, ơ nhiễm môi trường, … Nước ta là một nước
nông nghiệp, tuy nhiên trong nhiều năm quy mô cũng như chất lượng và sản
lượng nông nghiệp của nước ta luôn thấp hơn so với các nước khác mà nguyên
nhân chính là việc công nghệ sản xuất của nước ta không cao và một phần là do
thiên tai.
-
Các hệ thống điều khiển từ xa thông qua mạng Internet ngày càng được sử dụng
phổ biến và các hệ thống này có thể giúp cho các thiết bị giao tiếp với nhau về
mặt dữ liệu. Từ những yêu cầu thực tế, để khắc phục các tình trạng trên nhóm
chúng em quyết định chọn thực hiện mơ hình vườn rau thơng minh sử dụng
năng lượng mặt trời.
1.2 Tình hình nghiên cứu
-
Tại các nước phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản, … thì việc sử dụng năng lượng
mặt trời thay cho các nguồn năng lượng khác đã trở nên rất phổ biến và nhận
được nhiều sự ủng hộ.
-
Riêng ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng và sử dụng các nguồn
năng lượng mới và năng lượng tái tạo nói chung cũng như năng lượng mặt trời
nói riêng trong những năm gần đây được triển khai khá mạnh mẽ. Tuy nhiên đại
đa số người dân thì vẫn không muốn sử dụng nguồn năng lượng này do chưa
nhận thức được lợi ích của nó cũng như giá thành chi phí ban đầu bỏ ra là quá
cao trong khi thu nhập bình quân của người dân lại ở mức thấp.
-
Bên cạnh đó nền nơng nghiệp của nước ta cũng đáng lưu tâm. Các yếu tố như
thiên tai, sâu bệnh, điều kiện môi trường cũng gây ảnh hưởng đến cây trồng.
Khiến người nơng dân rơi vào hồn cảnh khó khăn và không phát triển theo
hướng nông nghiệp hiện đại.
14
1.3 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu đạt được sau khi hồn thành đề tài:
-
Lắp đặt được mơ hình hệ thống vườn rau thông minh sử dụng điện mặt
trời.
Am hiểu các thiết bị sử dụng, cách đấu nối và lập trình trên Arduino IDE.
Áp dụng phần mềm AutoCad, Proteus cho việc mô phỏng hệ thống và
app Blynk cho việc giám sát hệ thống cũng như điều khiển.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu
-
Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:
Thiết kế mơ hình vườn rau thơng minh
Sử dụng pin năng lượng mặt trời và bộ lưu điện để cấp nguồn hoạt động cho
toàn bộ hệ thống
Hệ thống sẽ dùng điện mặt trời từ bộ lưu điện, khi thiếu hụt sẽ tư động
chuyển nguồn điện lưới để cung cấp cho hệ thống
Giám sát các thông số điện áp từ pin mặt trời và điện lưới
Đo các thông số nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất
Tự bơm nước để tưới cây khi độ ẩm thấp và tắt khi độ ẩm cao hoặc theo
thời gian
Điều khiển và giám sát từ xa thông qua Internet bằng app Blynk
Dừng lại ở mức độ học tập chứ chưa đưa vào thực tế để sử dụng
15
1.5 Phương pháp nghiên cứu
-
Đề tài này được thực hiện qua 2 bước nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật và
Nghiên cứu thực tiễn.
Nghiên cứu kỹ thuật: Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống có khả năng tự động
chăm sóc vườn rau an toàn bằng cách khống chế nhiệt độ, độ ẩm thông qua
các thiết bị. Sử dụng nguồn năng lượng thu được từ mặt trời để cấp nguồn
hoạt động cho các thiết bị. Đồng thời thu thập thông tin từ điện mặt trời và
vườn rau chuyền tải lên phần mềm trên điện thoại thuận tiện cho việc giám
sát điện năng cũng như vườn rau. Qua đó góp phần ứng dụng vào ngành
nông nghiệp hiện đại, phục vụ nhu cầu cho người nông dân.
Nghiên cứu thực tiễn: Sản phẩm khi tạo ra giúp giảm công sức lao động,
thời gian cho người trồng và cho ra chất lượng sản phẩm tốt hơn. Trong
nơng nghiệp có thể triển khai các dự án trồng rau nhà lưới với quy mơ lớn.
Giúp kiểm sốt tốt các khâu trung gian trong hệ thống, đồng thời vận hành
hệ thống dễ dàng, quản lý và bảo dưỡng hệ thống thuận tiện.
1.6 Phạm vi nghiên cứu
-
Hệ thống vườn rau thông minh sử dụng năng lượng Mặt Trời hướng đến nhiều
đối tượng tiêu thụ khác nhau.
-
Nhưng trong phạm vi của đề tài này ta chỉ tập trung nghiên cứu về hệ thống
chăm sóc vườn rau tự động và hệ thống điện năng lượng Mặt Trời nối lưới có
dự trữ để cung cấp cho những người nơng dân có nhu cầu (Bao gồm năng lượng
Mặt Trời, pin Mặt Trời, bộ tích trữ năng lượng, mạch đo thơng số điện năng,
mạch điều khiển tự động vườn rau,…).
1.7 Ý nghĩa đề tài
-
“Hệ thống vườn rau thông minh sử dụng năng lượng mặt trời” là một hệ thống
giải quyết được vấn đề điện năng lẫn tự động chăm sóc vườn rau ở các khu vực
khác nhau. Từ đó sẽ giúp cho người nơng dân chủ động về mặt thời gian khi
chăm sóc cây trồng tốt hơn, tiết kiệm nhân lực cũng như sức lao động.
16
1.8 Kết cấu của đồ án
-
Đề tài này được trình bày 6 chương:
•
Chương 1: Giới thiệu đề tài
•
Chương 2: Tổng quan giải pháp
•
Chương 3: Phương pháp giải quyết
•
Chương 4: Thiết kế hệ thống
•
Chương 5: Thi cơng mơ hình
•
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài
17
Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.1 Năng lượng mặt trời
2.1.1 Tổng quan
-
Điện năng lượng mặt trời là quá trình biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp
thành điện năng nhờ tấm pin mặt trời. Q trình biến đổi này cịn gọi là quang
điện. Quá trình quang điện đơn giản là biến đổi quang năng thành điện năng
trực tiếp nhờ các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô đun. Photon
đập vào electron làm năng lượng của electron tăng lên và di chuyển tạo thành
dòng điện.
-
Điện năng lượng mặt trời đang dần trở thành xu hướng của tương lai bởi đây
là nguồn năng lượng tái tạo sạch, đem lại rất nhiều lợi ích cũng như thân thiện
với mơi trường.
Hình 2.1: Năng lượng mặt trời – Năng lượng sạch [4]
2.1.2 Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam
-
Việt Nam có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào cường độ bức xạ mặt
trời trung bình ngày trong năm ở phía Bắc là khoảng 3,69 kWh/m2 và
phía Nam là khoảng 5,9 kWh/m2. Lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào
lượng mây và tầng khí quyển của từng địa phương, giữa các địa phương
ở nước ta có sự chênh lệch đáng kể về bức xạ mặt trời. Cường độ bức
xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc.
18
Hình 2.2: Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình năm ở Việt Nam [5]
2.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời
2.2.1 Tổng quan
-
Hiện nay có nhiều loại hệ thống điện mặt trời điển hình. Có thể kể tới như là
điện mặt trời áp mái, điện mặt trời nối lưới, điện mặt trời nổi, hệ thống điện
mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ.
19
Điện mặt trời áp mái: là hệ thống điện mặt trời có các tấm quang điện
được lắp đặt trên mái nhà, cơng trình dân dụng hoặc cơng nghiệp và có
cơng suất không quá 01 MWp, đấu nối trực tiếp hoặc đấu nối gián tiếp
vào lưới điện Quốc gia.
Điện mặt trời nối lưới: là dự án điện mặt trời được đấu nối trực tiếp vào
lưới điện Quốc gia, trừ các dự án điện mặt trời mái nhà. Như vậy các dự
án điện mặt trời mặt đất với quy mô 30, 50 tới vài trăm MW chính là điện
mặt trời nối lưới.
Điện mặt trời nổi: là dự án điện mặt trời nối lưới có các tấm quang điện
được lắp đặt trên cấu trúc nối trên mặt nước.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập: là một hệ thống điện năng
lượng mặt trời không nối lưới (độc lập), hệ thống điện mặt trời độc lập
phải tích năng lượng vào ắc quy để bù trừ cơng suất. Để đảm bảo có điện
mọi lúc, loại này địi hỏi phải có một bộ pin lưu trữ. Những bộ ắc-quy
cần phải được thay thế trong khoảng 3 đến 8 năm một lần, tùy theo mức
độ chi phí, pin càng đắt đỏ thì càng dùng được lâu (trong khi tấm pin
năng lượng mặt trời tồn tại lên đến 30 năm), việc trang bị và bảo trì pin
lưu trữ phức tạp, đắt tiền cũng như tổn thất năng lượng do chu trình xả
nạp cao hơn như đã nói trên.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới có dự trữ: là sự kết hợp giữa
điện mặt trời độc lập và hệ thống hòa lưới. Hệ thống này vừa có những
lợi ích như hịa lưới vừa có được bộ lưu trữ một lượng điện sử dụng độc
lập dự phòng.
-
Trong giới hạn của đề tài, chúng em chỉ nghiên cứu loại hệ thống điện năng
lượng mặt trời hịa lưới có dự trữ.
20
2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống
-
Hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới có dự trữ (Hybrid) bao gồm các
thành phần:
Khung giá đỡ
Các tấm pin
Inverter
Bộ điều khiển sạc
Ắc quy lưu trữ
Đồng hồ đo điện
Các thiết bị khác: vật tư lắp đặt, hệ thống giám sát, …
Hình 2.3: Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời hịa lưới có lưu trữ [7]
-
Ngun lý hoạt động của hệ thống:
Hệ thống ưu tiên sử dụng nguồn điện một chiều từ các tấm pin mặt trời
để chuyển thành nguồn điện xoay chiều cung cấp cho các tải tiêu thụ
điện, đồng thời sạc cho ắc quy nếu ắc quy chưa đầy.
21
Nếu nguồn điện từ các tấm pin mặt trời tạo ra dư sẽ được hòa vào lưới
điện để bán điện cho điện lực. Khi nguồn điện từ các tấm pin mặt trời và
ắc quy bị thiếu, hệ thống sẽ tự động lấy thêm điện từ nguồn điện lưới để
cung cấp cho các thiết bị điện và sạc cho ắc quy.
Trường hợp bị mất điện lưới hoặc bạn chủ động ngắt kết nối với điện
lưới, hệ thống điện mặt trời Hybrid sẽ sử dụng nguồn điện từ các tấm pin
mặt trời và nguồn điện dự phòng từ ắc quy để cung cấp cho các thiết bị
tiêu thụ điện.
Hệ thống điện mặt trời Hybrid sẽ luôn ưu tiên nguồn điện để cung cấp
cho thiết bị điện như sau: điện mặt trời, ắc quy, điện lưới. Trong trường
hợp điện lưới mất, vào ban ngày thì hệ thống sẽ sử dụng nguồn điện từ
các tấm pin mặt trời để cung cấp điện cho các thiết bị điện, nếu nguồn
điện từ pin mặt trời không đủ thì Inverter Hybrid sẽ lấy điện từ nguồn
năng lượng lưu trữ trong ắc quy để cung cấp cho thiết bị điện cho đến
khi cạn ắc quy.
Nếu hệ thống Hybrid có cơng suất pin mặt trời hoặc dung lượng ắc quy
nhỏ, trong trường hợp mất điện, chỉ nên sử dụng các thiết bị tiêu thụ ít
điện như quạt, tivi, đèn,… hạn chế hoặc không sử dụng các thiết bị công
suất lớn như: thang máy, điều hịa, máy nước nóng, bếp điện,... để hệ
thống Hybrid không bị quá tải và để sử dụng ắc quy được bền hơn.
2.2.3 Ứng dụng của hệ thống điện năng lượng mặt trời
-
Thích hợp lắp đặt cho vùng cịn hạn chế chưa có điện hoặc có điện nhưng
điện lưới không ổn định. Hoặc những thiết bị cần nguồn ln ổn định.
-
Ví dụ như thiết bị nhà thông minh, vườn rau thông minh, đèn sân vườn, hệ
thống an ninh camera, hệ thống chiếu sáng, hệ thống mạng, …
22
Hình 2.4: Ánh sáng chưa đến được những vùng cao (Nguồn Internet)
2.3 Tổng quan về Inverter
2.3.1 Inverter là gì?
-
Bộ kích điện inverter DC-AC (hay biến tần) là một trong những thiết bị quan
trọng nhất của hệ thống điện mặt trời. Nó chuyển đổi đầu ra dịng điện một
chiều (Direct Current – DC) của các tấm pin năng lượng mặt trời thành dòng
điện xoay chiều (Alternating Current – AC). Dòng điện AC lúc này mới
tương thích với phần lớn các thiết bị điện trong nhà của bạn cũng như có thể
đưa điện mặt trời vào lưới điện lưu trữ.
Hình 2.5: Bộ chuyển đổi điện áp (Nguồn Internet)
23
2.3.2 Cấu tạo Inverter
-
Khối nguồn
-
Vi xử lý
-
Bộ phận ổn áp DC
-
Bộ chuyển đổi DC sang AC
2.3.3 Phân Loại Inverter năng lượng Mặt Trời
-
Inverter có 3 loại phổ biến như sau:
Dạng sóng đầu ra: Phần lớn các loại Inverter này đều có kích thước và
trọng lượng nhỏ hơn so với loại Inverter cịn lại nếu có cùng cơng suất
do khơng sử dụng biến áp sắt từ có kích thước lớn, một phần còn lại của
các loại Inverter biến đổi hai bước có thể có trọng lượng lớn bởi chúng
sử dụng biến áp sắt từ thông thường dành cho việc nạp ắc quy.
Hình 2.6: Các dạng sóng đầu ra cơ bản của bộ Inverter [17]
Dạng sóng hình sin: Đây là dạng sóng tốt nhất, vì nó là hình dạng của
điện xoay chiều lý tưởng. Một mạch tạo ra mẫu sóng sin rồi sau đó
khuếch đại chúng lên bằng các transistor cơng suất và biến áp. Về ngun
lý thì cách này có thể thực hiện được, nhưng trên thực tế người ta không
hoặc hiếm khi áp dụng chúng vì chúng gây tổn hao nhiều cơng suất cho
hình sin ấy, dẫn đến bộ kích có hiệu suất rất thấp.
Lý do hiệu suất thấp bởi nguyên lý này hoạt động giống như một bộ
amply công suất lớn mà đặc tính của các transistor thơng thường có tổn
hao thấp nếu như chỉ ở hai trạng thái đóng hoặc mở, cịn ở trạng thái đóng
một phần thì transistor sẽ tỏa ra nhiều nhiệt và hiệu suất sử dụng thấp.
24
Hình 2.7: Dạng sóng sin chuẩn [17]
Dạng sóng vng: Là dạng sóng đầu ra ít mong muốn nhất, nó thường
khơng tốt đối với các thiết bị có tính cảm kháng cao hay hiểu đơn giản là
bên trong của nó có các cuộn dây, các thiết bị này bao gồm: quạt điện,
máy bơm nước, tủ lạnh, điều hòa,… Một vài thiết bị khác có sử dụng
động cơ như cửa cuốn thì vẫn dùng được do thời gian vận hành ngắt
quãng và ngắn nên sử dụng cũng khơng vấn đề gì. Khi sử dụng bộ lưu
điện có đầu ra dạng xung vng thì các thiết bị này sẽ bị nóng lên rất
nhanh và phát ra âm thanh rè rè rất khó chịu. Tất nhiên là dạng sóng
vng này vẫn sử dụng được nhưng nó gây thiệt hại cho thiết bị.
Hình 2.8: Dạng sóng vng [17]
25
