Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Thiết Kế Bộ Ổn Định Nhiệt Độ Cho Máy Nước
Nóng Năng Lượng Mặt Trời Dân Dụng
Ngô Thanh Thế1, Đỗ Hữu Hậu1, Huỳnh Thế Hiển2 và Lương Vinh Quốc Danh3
1

Khoa Điện tử, trường Cao Đẳng Nghề Cần Thơ
2
Cơng ty Cổ phần Phân bón Dầu Khí Cà Mau
3
Khoa Cơng Nghệ, trường Đại học Cần Thơ
E-mail: , , ,
thời gian và có rủi ro cao do người sử dụng có thể bị
bỏng nước nóng, đặc biệt là trẻ em và người cao tuổi.
Việc thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước cho máy
nước năng lượng mặt trời đã nhận được sự quan tâm
của cộng đồng nghiên cứu trong khoảng 10 năm gần
đây [3-9]. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này tập
trung vào việc đề xuất giải pháp ổn định nhiệt độ cho
máy nước nóng năng lượng mặt trời kiểu chủ động
(Active solar water heating systems) sử dụng điện năng
để vận hành. Ngồi ra, cơng việc thiết kế, xây dựng mơ
hình điều khiển ổn định nhiệt độ cho hệ thống cũng
chưa được trình bày một cách chi tiết.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất giải pháp
ứng dụng van điều khiển 3 ngã dựa trên loại van cơ
thông thường kết hợp với động cơ servo và giải thuật
điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative)
để thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước tự động cho máy
nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng. Một giải

thuật điều khiển được nhúng vào kit Arduino Nano để
điều chỉnh góc mở của van điều khiển cho phép pha
trộn nguồn nước nóng từ máy năng lượng mặt trời và
nguồn nước ở nhiệt độ môi trường để đạt được nhiệt độ
nước mong muốn cài đặt trước. Nghiên cứu này cũng
xác định được giá trị tối ưu của góc mở van ban đầu
nhằm đạt được yêu cầu về hiệu quả năng lượng và thời
gian đáp ứng.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau:
trong phần II, chúng tôi mô tả cấu tạo và nguyên lý
hoạt động của hệ thống ổn định nhiệt độ đề xuất. Nội
dung phần III trình bày việc thiết lập mơ hình điều
khiển PID cho hệ thống. Cơng việc xây dựng giải thuật
chương trình điều khiển hoạt động của bộ ổn định nhiệt
độ được trình bày ở phần IV. Phần V cung cấp các kết
quả thực nghiệm. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo
trong phần VI.

Tóm tắt— Trong bài viết này, chúng tơi đề xuất giải pháp
ứng dụng van điều khiển 3 ngã dựa trên loại van cơ
thông thường kết hợp với động cơ servo và giải thuật
điều khiển PID để thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước tự
động cho máy nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng.
Một giải thuật điều khiển được nhúng vào kit Arduino
Nano để điều chỉnh góc mở của van điều khiển cho phép
pha trộn nguồn nước nóng từ máy năng lượng mặt trời
và nguồn nước ở nhiệt độ môi trường để đạt được nhiệt
độ nước mong muốn cài đặt trước. Nghiên cứu này cũng
xác định được giá trị tối ưu của góc mở van ban đầu
nhằm đạt được yêu cầu về hiệu quả năng lượng và thời

gian đáp ứng. Kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị vận
hành ổn định với thời gian đáp ứng khoảng 60 giây và sai
số nhiệt độ là 1oC. Kết quả nghiên cứu cung cấp một
tính năng tiên tiến cho máy nước nóng năng lượng mặt
trời góp phần tiết kiệm năng lượng và mang đến sự an
toàn, tiện lợi cho người sử dụng.
Từ khóa- Máy nước nóng, năng lượng mặt trời, ổn
định nhiệt độ, PID, van ba ngã.

I.

GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng năng
lượng mặt trời như một nguồn cung cấp năng lượng
sạch và bền vững cho dân dụng và công nghiệp ngày
càng tăng. Đặc biệt, việc sử dụng năng lượng mặt trời
để đun nóng nước cho mục đích sử dụng tại hộ gia đình
ngày càng trở nên phổ biến. Điều này giúp tiết kiệm
đáng kể lượng điện năng tiêu thụ và góp phần làm giảm
lượng khí CO2 phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa
thạch.
Khu vực Nam Trung bộ và miền Nam - Việt Nam
có tổng số giờ nắng từ 2000 đến 2500 giờ/năm và
cường độ bức xạ của mặt trời trong khoảng từ 4,9 đến
5,7 kWh/m2/ngày [1] rất thích hợp để triển khai sử
dụng loại máy nước nóng năng lượng mặt trời thụ động
(Passive solar water heating systems) [2]. Ưu điểm của
máy nước nóng năng lượng mặt trời kiểu thụ động là
không cần sử dụng điện năng để hoạt động, có độ bền

cao và chi phí bảo trì thấp. Tuy nhiên, việc điều chỉnh
nước đầu ra để có nhiệt độ như mong muốn thường
được thực hiện thủ công bằng cách điều chỉnh van pha
trộn nước 3 ngã. Điều này có nhược điểm là mất nhiều

ISBN: 978-604-80-5076-4

II. CẤU TẠO HỆ THỐNG
Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý của máy nước
nóng năng lượng mặt trời tích hợp bộ ổn định nhiệt độ
nước ở ngõ ra. Hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ có
cấu tạo gồm 4 thành phần chính: bộ vi xử lý, van điện 3
ngã, cảm biến nhiệt độ và mô-đun thu/phát RF.

246


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

III. XÂY DỰNG MƠ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Bộ vi xử lý: một kit Arduino Nano [10] được sử
dụng làm bộ xử lý trung tâm với giải thuật điều khiển
PID cài đặt trong bộ nhớ. Nhiệm vụ chính của bộ vi xử
lý là điều khiển góc quay của một động cơ servo để
điều tiết lưu lượng các dịng nước nóng và lạnh đi qua
van 3 ngã dựa trên giá trị đo đạc nhiệt độ nước ở ngõ
ra. Ngoài ra, bộ vi xử lý cũng thực hiện truyền nhận dữ
liệu điều khiển với bộ điều khiển từ xa thông qua môđun thu/phát RF.


1.

Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất giải pháp sử
dụng một van 3 ngã thông dụng trên thị trường kết hợp
với động cơ servo Digital Servo LD-27MG [14] để
thiết kế một van điện 3 ngã (Hình 3). Động cơ servo
được điều khiển bởi bộ vi xử lý để thay đổi góc mở của
van 3 ngã cho phép điều chỉnh tỷ lệ pha trộn lượng
nước từ 02 ngõ vào nước nóng và nước lạnh nhằm đạt
được nhiệt độ nước như mong muốn ở ngõ ra.
Hình 4 mơ tả sơ đồ thí nghiệm khảo sát đặc tính của
van điều khiển 3 ngã được điều khiển bởi động cơ
servo. Ba cảm biến lưu lượng FI-01, FI-02 và FI-03
được sử dụng để đo lưu lượng dịng nước nóng, nước
lạnh và dịng nước pha trộn ở ngõ ra. Mục tiêu của
khảo sát này là kiểm chứng độ tuyến tính của van và
xác định kiểu điều tiết của loại van 3 ngã được sử
dụng. Qua thực nghiệm, góc giới hạn mở van được xác
định thuộc khoảng giá trị [300,1400]. Cụ thể, góc mở
van 300 tương ứng với việc mở van 100% lưu lượng
nước nóng và góc mở van 1400 tương ứng với mở van
100% lưu lượng nước lạnh. Kết quả thí nghiệm đáp
ứng lưu lượng nước qua van ở Hình 5 cho thấy khi thay
đổi góc mở van từ nhỏ đến lớn, lưu lượng ngõ vào
nước nóng giảm dần gần như tuyến tính. Lưu lượng
ngõ vào nước lạnh cũng có tính chất tương tự nhưng
theo chiều hướng ngược lại. Lưu lượng nước ở ngõ ra
van được duy trì ổn định trong quá trình pha trộn nước
từ 2 ngõ vào.


Van điện 3 ngã: van có nhiệm vụ pha trộn lượng
nước từ 2 ngõ vào nước nóng và nước lạnh với một tỷ
lệ phù hợp để nước ở ngõ ra có nhiệt độ như mong
muốn. Van điện có cấu tạo gồm một van 3 ngã thông
thường kết hợp với 01 động cơ servo. Góc quay của
động cơ servo được điều khiển bởi bộ vi xử lý dựa trên
giải thuật điều khiển.
Cảm biến nhiệt độ: một vi mạch cảm biến nhiệt độ
DS18B20 [11] được sử dụng để đo nhiệt độ dòng nước
ở ngõ ra của van điện 3 ngã. Dữ liệu về nhiệt độ được
cảm biến truyền về bộ vi xử lý theo giao tiếp chuẩn 1Wire [12].
Mô-đun thu/phát RF: một mơ-đun thu/phát sóng RF
HC11 [13] hoạt động trên dải tần số 433 MHz được sử
dụng để truyền/nhận dữ liệu điều khiển giữa bộ vi xử lý
và bộ điều khiển từ xa.
Bộ điều khiển từ xa (Hình 2), hoạt động bằng
nguồn pin 9V, cho phép người dùng điều chỉnh giá trị
nhiệt độ nước mong muốn từ xa thông qua kết nối
khơng dây nhằm tạo sự tiện lợi trong q trình sử dụng.

2.

Thí nghiệm mơ hình bộ ổn định nhiệt độ:

Để xác định các thông số cần thiết cho bộ điều
khiển ổn định nhiệt độ, một mơ hình thí nghiệm việc
pha trộn và ổn định nhiệt độ nước đã được thiết lập
như ở Hình 6. Trong mơ hình, 02 bình nước nóng và
nước lạnh được sử dụng để mơ phỏng các nguồn nước
nóng từ máy năng lượng mặt trời và nguồn nước máy

thơng thường. Mục tiêu của thí nghiệm là điều khiển
van 3 ngã điều tiết việc pha trộn nguồn nước nóng và
lạnh sao cho nước ở ngõ ra đạt được đến một nhiệt độ
mong muốn trong thời gian nhanh nhất, chính xác và
ổn định nhất. Một chương trình điều khiển được xây
dựng trên nền tảng Matlab - Simulink [15] với sơ đồ
thiết kế phục vụ mơ phỏng q trình điều khiển van 3
ngã ổn định nhiệt độ nước được mô tả ở Hình 7. Hệ
thống được thiết kế với 03 cảm biến lưu lượng YFS201 [16], 03 cảm biến nhiệt độ DS18B20 và 01 van
điều khiển được đặt tên theo thứ tự từng cụm: cụm 1
(FI-01 và TI-01) tương ứng với nguồn nước nóng, cụm
2 (FI-02 và TI-02) tương ứng với nguồn nước lạnh và
cụm 3 (FI-03 và TI-03) tương ứng với nước pha trộn
ngõ ra. Trong đó, mỗi cụm cảm biến bao gồm các
thông số nhiệt độ và lưu lượng nước sẽ được thu thập
bởi một kit Arduino Nano (Hình 8). Các kit Arduino
Nano được kết nối với nhau tạo thành một hệ thống có
dạng SCADA (điều khiển, giám sát và thu thập dữ

Hình 1. Sơ đồ khối bộ ổn định nhiệt độ máy nước nóng năng
lượng mặt trời.

Hình 2. Sơ đồ khối bộ điều khiển từ xa.

ISBN: 978-604-80-5076-4

Khảo sát đặc tính van 3 ngã:

247



Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

liệu) cho phép thay đổi chức năng, cấu hình kỹ thuật,
điều khiển và giám sát hệ thống theo thời gian thực
(Hình 9).

(a)

Hình 7. Giao diện chương trình Matlab-Simulink mơ phỏng
điều khiển van 3 ngã.

(b)

Hình 3. (a) Van 3 ngã; (b) Van tích hợp động cơ servo.

Hình 8. Cấu trúc chương trình thu thập dữ liệu từ cảm biến
qua giao thức I2C và kit Arduino Nano.
Hình 4. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát đặc tính van 3 ngã điều
khiển bằng động cơ servo.

Hình 5. Đáp ứng lưu lượng nước với góc mở van tăng dần từ
300 đến 1400.
Hình 9. Sơ đồ nguyên lý kết nối phần cứng của bộ thí
nghiệm pha trộn và ổn định nhiệt độ nước.

3.

Trong nghiên cứu này, bộ ổn định nhiệt độ được
xây dựng theo nguyên lý điều khiển PID vịng kín [1719]. Sơ đồ điều khiển hệ thống được trình bày ở các

Hình 10 và Hình 11. Hệ thống lúc này trở thành một
hệ SISO (một ngõ vào và một ngõ ra), với ngõ vào sai
số là nhiệt độ của nước được pha trộn (TI-03) so với
nhiệt độ mong muốn và ngõ ra là góc mở van điều
khiển 3 ngã với góc giới hạn được xác định trong
khoảng [300, 1400] như đã trình bày ở phần trên. Để
xác định mối quan hệ giữa góc mở van khởi tạo và
thời gian đáp ứng của hệ thống, thí nghiệm khảo sát
đáp ứng của hệ thống với các giá trị góc mở van khởi

Hình 6. Mơ hình thí nghiệm bộ ổn định nhiệt độ.

ISBN: 978-604-80-5076-4

Giải thuật điều khiển PID:

248


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

tạo khác nhau đã được tiến hành. Kết quả cho thấy,
góc mở van khởi tạo 900 cho đáp ứng tốt, thời gian xác
lập ngắn nhất (Hình 12). Điều này đồng nghĩa với
lượng nước lãng phí trong q trình vận hành được
giảm thiểu và thời gian chờ của người dùng để có
nhiệt độ nước như mong muốn là ngắn nhất.
Để xác định các tham số của bộ điều khiển PID ổn
định nhiệt độ, trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng
phương pháp thực nghiệm Ziegler – Nichols với đáp

ứng tần số cho hệ điều khiển dạng vịng kín [20]. Theo
đó, q trình thiết kế được bắt đầu bằng cách tạo ra
một bộ điều khiển P với hệ số Kp đủ lớn (bằng 0,75) để
hệ dao động với một chu kỳ nhất định. Sau quá trình
khởi tạo điều khiển tỷ lệ P, các thơng số của bộ điều
khiển PID lúc này được tinh chỉnh theo phương pháp
thực nghiệm và thu được kết quả như ở Hình 13 với Kp
= 0,15, Ki = 0,1 và Kd = 0,001. Với kết quả này, hệ
thống có thời gian xác lập khoảng 65 giây và độ vọt lố
(percent of overshoot) là 1%. Các tham số Kp, Ki và Kd
của bộ điều khiển PID sẽ được sử dụng trong quá trình
nhúng giải thuật điều khiển vào bộ vi xử lý.

Hình 13. Đáp ứng điều khiển pha trộn nước ổn định nhiệt độ
tại to = 400 C với thông số Kp = 0,15, Ki = 0,1 và Kd = 0,001.

IV. THIẾT KẾ PHẦM MỀM HỆ THỐNG
Lưu đồ giải thuật điều khiển hoạt động của bộ ổn
định nhiệt độ được trình bày ở Hình 14. Theo giải thuật
này, hệ thống sẽ được đưa vào chế độ ngủ (sleep mode)
để tiết kiệm năng lượng khi lưu lượng nước ngõ ra
bằng 0 (trạng thái ngừng sử dụng) sau hơn 10 phút.
Ngoài ra, để đảm bảo sự an tồn cho người dùng, hệ
thống có tính năng phát hiện hiện tượng mất kiểm soát
trong trường hợp bồn nước lạnh cạn đi và chỉ cịn
nước nóng được đưa vào hệ thống dựa vào giá trị độ
vọt lố. Nếu giá trị này vượt quá 10% trong thời gian
khoảng 60 giây, hệ thống sẽ gửi cảnh báo cho người
sử dụng bằng tiếng còi phát ra trên thiết bị điều khiển
từ xa. Hơn nữa, một van điện từ (solenoid) dạng

thường đóng được lắp đặt tại vị trí ngõ vào nước nóng,
phịng khi mất điện hệ thống sẽ tự ngắt dịng nước
nóng qua thiết bị.

Hình 10. Sơ đồ điều khiển PID vịng kín ổn định nhiệt độ.

Hình 11. Cơ cấu điều khiển van 3 ngã trong chương trình
Matlab-Simulink.

Hình 14. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển hệ thống.

V. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sau khi hoàn tất các thử nghiệm về phần cứng và
phần mềm điều khiển hệ thống, bộ điều khiển ổn định
nhiệt độ được triển khai lắp đặt tại thực địa như trình
bày ở Hình 15. Với cách bố trí này, ngõ vào nước
nóng của thiết bị được lấy trực tiếp từ máy nước nóng
năng lượng mặt trời và ngõ vào nước lạnh được lấy từ
nguồn nước sinh hoạt.

Hình 12. Đáp ứng điều khiển pha trộn nước ổn định nhiệt độ
tại to = 400 C với góc mở van khởi tạo bằng 900.

ISBN: 978-604-80-5076-4

249


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)


Dữ liệu thu thập được trong quá trình đo đạc ở điều
kiện thực tế cho thấy, với các thông số điều khiển
được tinh chỉnh một lần nữa Kp = 0,18, Ki = 0,12 và Kd
= 0,0025, hệ thống có thời gian xác lập khoảng 60 giây
và độ vọt lố khơng q 5% (Hình 16). Kết quả điều
khiển nhiệt độ có sai số trong khoảng ±10 C. Với kết
quả này, hệ thống có thể đáp ứng được nhu cầu sử
dụng trong thực tế. Kết quả thực nghiệm cũng cho
thấy mức độ thay đổi của góc mở van điều khiển là rất
ít trong q trình vận hành. Điều này giúp tiết kiệm
điện năng tiêu thụ cũng như tăng tuổi thọ van và động
cơ điều khiển.
Ngoài ra, do được thiết kế để hoạt động với nguồn
điện 12V DC, hệ thống có thể được tích hợp bộ nguồn
điện năng lượng mặt trời cho phép thiết bị có thể hoạt
động an tồn và khơng phụ thuộc vào nguồn điện lưới.

nước nóng năng lượng mặt trời góp phần tiết kiệm
năng lượng và mang đến sự an toàn, tiện lợi cho người
sử dụng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]

[4]

[5]

[6]


[7]

[8]

Hình 15. Lắp đặt bộ điều khiển ổn định nhiệt độ trong thực tế.
[9]

[10]
[11]
[12]
[13]
[14]

Hình 16. Đáp ứng điều khiển pha trộn nước ổn định nhiệt độ
trong điều kiện thực tế với thông số Kp = 0,18, Ki = 0,12 và
Kd = 0,0025.

[15]
[16]

VI. KẾT LUẬN
[17]

Bài viết này đã trình bày việc thiết kế và thi cơng
bộ ổn định nhiệt độ cho máy nước nóng năng lượng
mặt trời thụ động. Hệ thống đề xuất được xây dựng dựa
trên mơ hình điều khiển PID cho phép điều chỉnh góc
mở của van điện để pha trộn nguồn nước nóng từ máy
năng lượng mặt trời và nguồn nước ở nhiệt độ môi

trường nhằm đạt được nhiệt độ nước mong muốn.
Nghiên cứu đã đề xuất giải pháp sử dụng loại van 3
ngã thông dụng để thiết kế van điện cùng với giá trị
góc mở van ban đầu tối ưu nhằm đạt được các yêu cầu
về hiệu quả năng lượng và thời gian đáp ứng. Kết quả
nghiên cứu cung cấp một chức năng tiên tiến cho máy

ISBN: 978-604-80-5076-4

[18]

[19]

[20]

250

Vũ Lê, Thăng Long, “Sức hút nguồn năng lượng tái tạo ở Nam
Trung bộ và miền Nam”. URL: />Solar
water
heating.
URL:
/>Yu Gui Yin, “Design and Application of Solar Water Heater
Intelligent Control System”, in Proceedings of the 2009
International Conference on Energy and Environment
Technology - Volume 01. October 2009, pages 580–583.
I.A. Odigwe et al., “A Microcontroller-based Active Solar
Water Heating System for Domestic Applications”,
International Journal of Renewable Energy Research, Vol. 3,
No. 4, pages 837-845, 2013.

Song Li, “The Circuit Design on Thermostat Control of Solar
Water Heater’s Water Temperature”, Applied Mechanics and
Materials, Vols. 513-517, pages 3560-3563, 2014.
Hasan, M. R., Arifin, K., Rahman, A., & Azad, A., “Design,
Implementation and Performance of a Controller for
Uninterruptible Solar Hot Water System”, in Proc. of the 2011
IEEE 18th International Conference on Industrial Engineering
and Engineering Management, Sept. 2011, pages 584-588.
Washima Tasnin, Pradyumna Kumar Choudhury, “Design and
Development of an Automatic Solar Water Heater Controller”,
in Proc. of the 2015 International Conference on Energy,
Power and Environment: Towards Sustainable Growth
(ICEPE), June 2015.
Abhishek Gautam, Sunil Chamoli, Alok Kumar, Satyendra
Singh, “A Review on Technical Improvements, Economic
Feasibility and World Scenario of Solar Water Heating
System”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.
68, pages 541–562, 2017.
Harish V. Mekali et al., “Design and Development of
Automatic Temperature Control System for Solar Water
Heater System”, in Proc. of the IEEE 7th International
Conference on Power and Energy, 2018, pages 19-22.
Arduino Nano. URL: />DS18B20
datasheet.
URL:
/>1-Wire. URL: />433-MHz
RF
wireless
module
(HC-11).

URL:
/>Động cơ Digital RC Servo LD-27MG. URL:
/>Simulation
and
Model‑Based
Design.
URL:
/>Cảm
biến
lưu
lượng
YF-S201.
URL:
/>Karl Johan Åström and Tore Hägglund. “Automatic Tuning of
PID Controllers”. Instrument Society of America, Research
Triangle Park, 1988.
H. Nguyen and T. H. Huynh, "Controlling the Position of the
Carriage in Real-Time Using the RBF Neural Network Based
PID Controller," in Proc. of the 18th International Conference
on
Control,
Automation
and
Systems
(ICCAS),
Daegwallyeong, 2018, pp. 1418-1423.
Nguyễn Chí Ngơn, “Tối ưu hóa bộ điều khiển PID bằng giải
thuật di truyền”. Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, Số 9,
trang 241-248, 2008.
Palmor, Z. J. and R. Shinnar, “Design of sampled data

controllers.” Industrial Eng. Chem. Process Design and
Development, Vol.18, No.1, pp. 8–30, 1979.