Hệ thống chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng trong gia đình: Giải pháp hiệu quả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 155

HỆ THỐNG CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG

SỬ DỤNG TRONG GIA ĐÌNH

SOLAR ENERGY CONVERSION SYSTEM ELECTRICITY USED IN HOUSEHOLDS

Nguyễn Bảo1,*, Lại Thị Hương Lan2,

Lê Trí Thanh2, Nguyễn Thị Thu Hà3

1Lớp DTTT 02 - K16, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

2Lớp DTTT 01 - K16, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

3Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: baonguyen24092003@gmail.com

TÓM TẮT

Bài báo về hệ thống chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng trong gia đình không chỉ tập trung vào nghiên

cứu công nghệ mới mà còn nhằm mục đích tối ưu hóa sử dụng năng lượng và nâng cao nhận thức cộng đồng, đóng góp

vào sự chuyển đổi sang nguồn năng lượng sạch và bền vững trong xã hội.

Từ khóa: Hệ thống chuyển hóa năng lượng mặt trời

ABSTRACT

Research on solar energy conversion systems for households focuses not only on developing new technologies but also

on optimizing energy use and raising public awareness, contributing to the transition to clean and sustainable energy

sources in society.

Keywords: Solar energy conversion system.

1. GIỚI THIỆU

Bài báo “Hệ thống chuyển hóa năng lượng mặt trời

thành điện năng sử dụng trong gia đình” tập trung vào việc

tận dụng tiềm năng của năng lượng mặt trời để xây dựng

được hệ thống điện năng lượng mặt trời nhằm nâng cao tiện

ích và hiệu quả trong cuộc sống hằng ngày.

Đối tượng phạm vi nghiên gồm các hộ gia đình, nhà

nghiên cứu phát triển và nhà sản xuất, cung cấp cơ hội để

tìm hiểu, phát triển và ứng dụng các công nghệ mới vào việc

thiết kế và điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu tập trung vào thiết kế được bộ

lưu điện, thiết kế mạch điều khiển và cảnh báo; thử nghiệm

và ứng dụng thực tế để đảm bảo tính tương thích, hiệu suất

và hiệu quả của hệ thống trong môi trường thực tế.

Mục đích là tận dụng tiềm năng của nguồn năng lượng

mặt trời, nghiên cứu tìm hiểu sự chuyển hóa năng lượng từ

ánh sáng mặt trời thành điện năng; thiết kế mạch điều khiển

việc lưu trữ năng lượng và chuyển mạch linh hoạt giữa các

hệ thống cung cấp điện trong gia đình.

Bài báo đóng góp vào việc phát triển và ứng dụng các

công nghệ mới, mang lại tiện ích và hiệu quả cho người

dùng trong cuộc sống hàng ngày.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ

Công thức tính toán thiết kế chuyển đổi Buck đồng bộ

MPPT [4].

Công suất năng lượng mặt trời được tính theo công thức:

Psolar= Vmp×Imp

Trong đó:

+ Vmp là điện áp cực đại của tấm pin mặt trời (V)

+ Imp là dòng điện cực đại của tấm pin mặt trời (I)

+ P là công suất tối đa của điện năng lượng mặt trời(W)

Chu kì làm việc (D):

 = 





×đ



× 100

Trong đó:

+ 

 là điện áp pin tối đa đã thiết lập (V)

+ H là hiệu suất chuyển đổi MPPT buck (%)

+ D là chu kì làm việc (%)

Dòng điện gợn sóng (dl):

 = 

 × 





×ò ợ

100

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 156Trong đó: dl là dòng điện tối đa liện tục của Mosfet

Dòng điện định mức tối đa trên cuộn cảm (Ipk):

 =







 × 



 ×ò ợ

100

Độ tự cảm (L):

 =

(

 − 

 ) × 





×đ



(

 × 1000) × 



 ×ò ợ

100

× 1000000

Trong đó:

+ L là độ tự cảm cho cuộn cảm Buck đồng bộ của MPPT

(uH)

+ fsw là tần số xung PWM của bộ chuyển đổi Buck

MPPT (kHz)

Tụ điện đầu ra (Cout):

 =



 × 



 ×ò ợ

100

8 × 

 × 1000 × 

ò ợ

× 1000000

Trong đó:

+ Cout là điện áp gợn sóng đầu ra MPPT (uF)

Công thức tính giá trị điện áp đầu ra khi có dòng qua

ACS712-30A trong mạch chuyển đổi năng lượng thành

điện năng [3]

= ×đ

1000 +



Trong đó:

+ Ur là giá trị điện áp đầu ra analog (V)

+ Iv là dòng điện đầu vào (A)

+ Hđn là độ nhạy (giá trị khuếch đại) (mV/A)

2.1. MPPT là gì? Cách hoạt động bộ điều khiển sạc năng

lượng mặt trời MPPT

Hình 1. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện

trong hệ thống điện năng lượng mặt trời

MPPT thường được tích hợp trong các bộ biến đổi năng

lượng mặt trời hiện đại và bộ điều khiển sạc (cho hệ thống

điện mặt trời độc lập). Chức năng chính của nó là tối đa hóa

lượng điện năng được tạo ra từ các tấm pin năng lượng mặt

trời trong quá trình vận hành.

MPPT là một thuật toán mà bộ điều khiển sạc sử dụng

giúp cho các tấm pin mặt trời kết nối vào nó nhằm hấp thụ

tối đa năng lượng mặt trời. Khi tia nắng mặt trời thay đổi

thì điểm công suất cực đại của tấm pin sẽ thay đổi theo. Lúc

này thì bộ điều khiển sạc phát huy tác dụng. Bộ điều khiển

sạc sẽ điều chỉnh sao cho mối quan hệ V-I luôn ở mức cực

đại.

2.2. Thiết kế bộ điều khiển quay tấm pin năng lượng

quay quanh mặt trời

Hệ thống điều hướng 2 trục xoay với những ưu điểm

vượt trội kết hợp với MPPT sẽ làm cho tăng hiệu suất thu

năng lượng cao nhất trong các hệ thống. Phạm vi áp dụng

rộng rãi, không cần đặt dàn pin với hướng cho trước.

Hình 2. Mô phỏng bộ điều khiển tấm pin năng lượng

Sự hoạt động của cơ cấu như sau Arduino nhận tín hiệu

từ 4 quang trở được đặt và có tấm chắn đặt vuông góc với

nhau. Khi ánh sáng chiếu vào quang trở thì điện trở quang

trở giảm mạnh điều đó sẽ truyền tín hiệu xuống Arduino

cho biết hướng nào có ánh sáng nhiều và sẽ gửi tín hiệu lên

động cơ Servo quay theo trục nằm ngang với trục X và động

cơ Servo quay theo trục nằm dọc với trục Y hay có thể hiểu

chiều quay từ Bắc tới Nam giúp cho tấm pin năng lượng

mặt trời luôn luôn trong trạng thái vuông góc với hướng ánh

sáng mặt trời để nhận được tối đa.

2.3. Bộ điều khiển ESP32[1]

U8 là ESP32 đóng vai trò vi điều khiển cho hệ thống.

Hình 3. Bộ điều khiển ESP32

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 157+R25-R28 là các điện trở kéo xuống nhằm xác định

trạng thái logic của chân linh kiện khi không có tín hiệu bên

ngoài tác động, được sử dụng cho các nút bấm, giữ cho các

chân không bị treo

+ R29 và R39 là điện trở kéo lên cho cổng I2C

+ C19 là tụ điện được sử dụng để khắc phục lỗi tự động

lập trình trong quá trình lập trình ESP32. Tụ điện C19 được

sử dụng để lọc nhiễu trên đường tín hiệu DTR/RST, giúp

ngăn chặn các tín hiệu nhiễu kích hoạt chế độ lập trình của

ESP32.

+ C23 là một tụ điện lọc dùng để giảm nhiễu trên đường

nguồn 3,3V của ESP32

+ R21 và R24 là điện trở kéo lên cho chân EN của

ESP32 (cũng cần thiết cho UART)

+ LED1 và R36 là đèn LED đơn giản được kết nối với

chân đèn LED mặc định của ESP32.

2.4. ADC bên ngoài [1]

U10 là ADC 12 bit ADS1015 bên ngoài.

Hình 4. Bộ ADC bên ngoài

+C20 là tụ điện lọc dùng để giảm nhiễu đường dây

xuống U10

+R31 là điện trở kéo lên cho chân báo của U10.

+A0-A3 là đầu vào tương tự của ADC U10 bên ngoài.

+U10 có điện áp tham chiếu được đặt (Vref) tương

đương với 2.048V, mức này được đặt phổ biến để phù hợp

với phạm vi đầu ra analog của U1 (cảm biến dòng điện

ACS712-30A).

+U10 là ADC bên ngoài có độ ổn định cao, chính xác

và chính xác cao, mang lại giá trị cảm biến ít bị nhiễu hơn,

chính xác hơn so với việc sử dụng ADC tích hợp bên trong

của MCU.

2.5. Cảm biến dòng điện

U1 là IC cảm biến dòng định mức 30A cách ly hai chiều

ACS712-30A.

Hình 5. Cảm biến dòng điện

+U1 là IC cảm biến dòng định mức 30A cách ly hai

chiều ACS712-30A.

U1 là hai chiều, nhưng trong mạch này U1 được sử dụng

để đo dòng điện theo một hướng duy để tối ưu hóa độ phân

giải ADC khi đo dòng điện. Lý do tại sao các chân -IP và

+IP của U1 được kết nối theo cách ngược lại là đặc tính đáp

ứng dòng điện âm của cảm biến. Khi không có dòng điện

Vout = Vcc/2. Điều này có nghĩa là khi không có dòng điện

đi qua các chân cảm biến dòng điện -IP và +IP, thì điện áp

ra của cảm biến (Vout) bằng một nửa điện áp cấp(Vcc=5V),

xấp xỉ 2,5V. Khi dòng điện chạy -IP tới +IP; Vout = 2,5 -

(dòng điện đo được* 0,066). Ví dụ như khi dòng điện là -

30A, Vout = 2,5V; khi dòng điện là 0A thì Vout = 0,52V

+R3 và R4 là bộ chia điện áp, mạch này có chức năng

hạ thấp điện áp ra tối đa (trần) của cảm biến U1 (khoảng

2.5V) xuống một giá trị thấp hơn một chút so với điện áp

tham chiếu của ADC U10 (2.048V). Việc hạ thấp điện áp

ra tối đa như vậy giúp tránh tình trạng tín hiệu ra từ cảm

biến bị cắt bớt khi đưa vào ADC.

+C2 là tụ lọc được đề cập trong bảng dữ liệu của U1

(ACS712). Việc tăng C2 dẫn đến giảm băng thông cảm biến

hiện tại của U1. Vì chúng ta đang xử lý DC nên chúng ta

chỉ cần băng thông thấp để loại bỏ nhiễu có thể cản trở cảm

biến dòng điện. +R5 và C9 là bộ lọc RC để giảm tiếng ồn

phát ra từ đầu ra analog của U1.

2.6. Cảm biến nhiệt độ [1]

R35 là điện trở nhiệt NTC 10k đóng vai trò là cảm biến

nhiệt độ.

+R35 là điện trở nhiệt NTC 10k đóng vai trò là cảm biến

nhiệt độ

+R12 là điện trở kéo xuống tạo thành một bộ chia điện

áp với R35 để tạo cảm biến nhiệt độ đơn giản

+C12 là tụ điện để lọc đầu ra analog của cảm biến nhiệt

độ.

+Đầu ra analog của bộ cảm biến nhiệt độ được kết nối

với GPIO35 (sử dụng ADC bên trong của ESP32)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 158

Hình 6. Cảm biến nhiệt độ

2.7. Bộ điều khiển dòng ngược (BCCU) [1]

Q1 là MOSFET kênh N, có chức năng ngăn chặn dòng

điện chảy ngược, ngăn sự rò rỉ dòng điện từ đi-ốt trên thân

Q2.

Hình 7a. Bộ điều khiển dòng ngược (BCCU)

+R37 là điện trở kéo xuống để xả điện tích cổng Q1 khi

tắt BCCU.

+B1212 là bộ chuyển đổi DC-DC cách ly 12V. Điều này

được sử dụng để cung cấp điện thế nối đất riêng cho việc

chuyển đổi các chân nguồn và chân cổng của Q1.

+Khi GPIO27 ở mức cao, Q4 dẫn điện và U2 lấy nguồn

từ đường dây 12V. Sau đó, nguồn điện 12V cách ly được

cung cấp cho Q1 để bật và dẫn điện.

+Khi GPIO27 ở mức thấp, nguồn bị cắt từ U2 và Q1,

R37 chảy hết điện tích còn lại ở chân cổng và chân nguồn

của Q1 khiến nó tắt.

+C4 và C3 là các tụ điện lọc được nhà sản xuất đề xuất

trong tài liệu kỹ thuật (datasheet) của IC U2.

+R6 và LED3 là đèn báo LED đơn giản để cho biết khi

nào BCCU hoạt động.

2.8. Bộ điều chỉnh buck tuyến tính [1]

U5 và U6 là các bộ điều chỉnh buck có khả năng chịu

đựng điện áp lên đến 80V và cung cấp dòng điện tối

đa 0.4A. Chức năng chính của chúng là giảm điện áp từ

nguồn chính của hệ thống MPPT xuống các mức điện áp ổn

định để cấp nguồn cho các thành phần khác.

Hình 7b. Bộ điều chỉnh buck tuyến tính

+U6 có đầu ra cố định được đặt ở mức 3,3V thông qua

việc lựa chọn các điện trở R17, R18 và R19. Điện áp 3.3V

này được sử dụng để cấp nguồn cho tất cả các thành phần

trong hệ thống MPPT cần điện áp 3.3V hoạt động.

+U5 có đầu ra cố định được đặt ở mức 10.625V thông

qua việc lựa chọn các điện trở R14, R15 & R16. Điều này

cung cấp 10.625V cho cổng quạt làm mát, BCCU và chân

cấp nguồn điều khiển cổng gate của MOSFET. Ban đầu

điện áp này được đặt thành 12V nhưng phải giảm nó xuống

còn 10.625V để giảm hao phí chuyển mạch trong quá trình

hoạt động của MOSFET cũng như để giảm mức tiêu thụ

điện năng của quạt làm mát. Tuy nhiên, tất cả các thành

phần vẫn hoạt động bình thường với điện áp 10.625V.

+U3 là bộ điều chỉnh tuyến tính được kết nối với đầu ra

10,625V của U5. Điều này cung cấp 5V theo yêu cầu của

U1 để hoạt động. Mặc dù việc sử dụng U3 gây ra một hao

phí năng lượng nhỏ, nhưng nó không đáng kể vì IC U1 chỉ

yêu cầu dòng điện rất nhỏ. Chênh lệch điện áp lớn giữa U5

và U1 cũng có thể là một điều tốt vì nó có thể điều chỉnh

điện áp ra 5V ổn định hơn, độ ổn định đầu ra analog của U1

phụ thuộc nhiều vào độ ổn định của nguồn cấp 5V.

2.9. Mạch xả

IC LM2576 là bộ điều chỉnh điện áp buck, có nhiệm vụ

giảm điện áp từ pin xuống mức phù hợp cho tải

Hình 8. Mạch xả

Điện trở R38 xác định dòng điện xả cho phép qua mạch

Các tụ điện C26, C27, C28 giúp lọc nhiễu và duy trì điện

áp ổn định cho IC

Diode D10, D11, D12 ngăn không cho dòng điện chảy

ngược từ tải vào pin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 159ACS712 đo dòng điện chạy qua pin trong quá trình sạc,

đảm bảo rằng pin không bị sạc quá mức.

2.10. Mạch điều khiển quạt

Hình 9. Mạch điều khiển quạt

Mạch được sử dụng để điều khiển tốc độ của quạt. Khi

bộ điều khiển MPPT phát hiện các tấm pin đang tạo ra nhiều

năng lượng hơn mức tải có thể xử lý, nó sẽ gửi tín hiệu đến

bóng bán dẫn khiến quạt quay nhanh hơn, làm mát các tấm

pin và ngăn chúng quá nóng

Q15 là một MOSFET dùng để điều khiển tốc độ của quạt

R40 giúp dòng điện hạn chế chạy qua Q15, bảo vệ Q15

tránh bị hỏng

2.11. Mạch giao tiếp thông qua nút nhấn