Thiết kế bộ ổn định nhiệt độ cho máy nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng

Nội dung text: Thiết kế bộ ổn định nhiệt độ cho máy nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng

1. 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 1Khoa Điện tử, trường Cao Đẳng Nghề Cần Thơ 2Công ty Cổ phần Phân bón Dầu Khí Cà Mau 3Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ E-mail: ngothanhthecdnct@gmail.com, dohuuhau2010@gmail.com, hienht@pvcfc.com.vn, lvqdanh@ctu.edu.vn Tóm tắt— Trong bài viết này, chúng tôi đề xuất giải pháp thời gian và có rủi ro cao do người sử dụng có thể bị ứng dụng van điều khiển 3 ngã dựa trên loại van cơ bỏng nước nóng, đặc biệt là trẻ em và người cao tuổi. thông thường kết hợp với động cơ servo và giải thuật Việc thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước cho máy điều khiển PID để thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước tự nước năng lượng mặt trời đã nhận được sự quan tâm động cho máy nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng. của cộng đồng nghiên cứu trong khoảng 10 năm gần Một giải thuật điều khiển được nhúng vào kit Arduino Nano để điều chỉnh góc mở của van điều khiển cho phép đây [3-9]. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này tập pha trộn nguồn nước nóng từ máy năng lượng mặt trời trung vào việc đề xuất giải pháp ổn định nhiệt độ cho và nguồn nước ở nhiệt độ môi trường để đạt được nhiệt máy nước nóng năng lượng mặt trời kiểu chủ động độ nước mong muốn cài đặt trước. Nghiên cứu này cũng (Active solar water heating systems) sử dụng điện năng xác định được giá trị tối ưu của góc mở van ban đầu để vận hành. Ngoài ra, công việc thiết kế, xây dựng mô nhằm đạt được yêu cầu về hiệu quả năng lượng và thời hình điều khiển ổn định nhiệt độ cho hệ thống cũng gian đáp ứng. Kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị vận chưa được trình bày một cách chi tiết. hành ổn định với thời gian đáp ứng khoảng 60 giây và sai o Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất giải pháp số nhiệt độ là 1 C. Kết quả nghiên cứu cung cấp một ứng dụng van điều khiển 3 ngã dựa trên loại van cơ tính năng tiên tiến cho máy nước nóng năng lượng mặt trời góp phần tiết kiệm năng lượng và mang đến sự an thông thường kết hợp với động cơ servo và giải thuật toàn, tiện lợi cho người sử dụng. điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative) để thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước tự động cho máy Từ khóa- Máy nước nóng, năng lượng mặt trời, ổn nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng. Một giải định nhiệt độ, PID, van ba ngã. thuật điều khiển được nhúng vào kit Arduino Nano để điều chỉnh góc mở của van điều khiển cho phép pha I. GIỚI THIỆU trộn nguồn nước nóng từ máy năng lượng mặt trời và nguồn nước ở nhiệt độ môi trường để đạt được nhiệt độ Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng năng nước mong muốn cài đặt trước. Nghiên cứu này cũng lượng mặt trời như một nguồn cung cấp năng lượng xác định được giá trị tối ưu của góc mở van ban đầu sạch và bền vững cho dân dụng và công nghiệp ngày nhằm đạt được yêu cầu về hiệu quả năng lượng và thời càng tăng. Đặc biệt, việc sử dụng năng lượng mặt trời gian đáp ứng. để đun nóng nước cho mục đích sử dụng tại hộ gia đình Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: ngày càng trở nên phổ biến. Điều này giúp tiết kiệm trong phần II, chúng tôi mô tả cấu tạo và nguyên lý đáng kể lượng điện năng tiêu thụ và góp phần làm giảm hoạt động của hệ thống ổn định nhiệt độ đề xuất. Nội lượng khí CO phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa 2 dung phần III trình bày việc thiết lập mô hình điều thạch. khiển PID cho hệ thống. Công việc xây dựng giải thuật Khu vực Nam Trung bộ và miền Nam - Việt Nam chương trình điều khiển hoạt động của bộ ổn định nhiệt có tổng số giờ nắng từ 2000 đến 2500 giờ/năm và độ được trình bày ở phần IV. Phần V cung cấp các kết cường độ bức xạ của mặt trời trong khoảng từ 4,9 đến quả thực nghiệm. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo 5,7 kWh/m2/ngày [1] rất thích hợp để triển khai sử trong phần VI. dụng loại máy nước nóng năng lượng mặt trời thụ động (Passive solar water heating systems) [2]. Ưu điểm của II. CẤU TẠO HỆ THỐNG máy nước nóng năng lượng mặt trời kiểu thụ động là Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý của máy nước không cần sử dụng điện năng để hoạt động, có độ bền nóng năng lượng mặt trời tích hợp bộ ổn định nhiệt độ cao và chi phí bảo trì thấp. Tuy nhiên, việc điều chỉnh nước ở ngõ ra. Hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ có nước đầu ra để có nhiệt độ như mong muốn thường cấu tạo gồm 4 thành phần chính: bộ vi xử lý, van điện 3 được thực hiện thủ công bằng cách điều chỉnh van pha ngã, cảm biến nhiệt độ và mô-đun thu/phát RF. trộn nước 3 ngã. Điều này có nhược điểm là mất nhiều ISBN: 978-604-80-5076-4 246
2. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Bộ vi xử lý: một kit Arduino Nano [10] được sử III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID dụng làm bộ xử lý trung tâm với giải thuật điều khiển 1. Khảo sát đặc tính van 3 ngã: 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 Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất giải pháp sử điều tiết lưu lượng các dòng nước nóng và lạnh đi qua dụng một van 3 ngã thông dụng trên thị trường kết hợp van 3 ngã dựa trên giá trị đo đạc nhiệt độ nước ở ngõ với động cơ servo Digital Servo LD-27MG [14] để ra. Ngoài ra, bộ vi xử lý cũng thực hiện truyền nhận dữ thiết kế một van điện 3 ngã (Hình 3). Động cơ servo liệu điều khiển với bộ điều khiển từ xa thông qua mô- được điều khiển bởi bộ vi xử lý để thay đổi góc mở của đun thu/phát RF. van 3 ngã cho phép điều chỉnh tỷ lệ pha trộn lượng nước từ 02 ngõ vào nước nóng và nước lạnh nhằm đạt Van điện 3 ngã: van có nhiệm vụ pha trộn lượng được nhiệt độ nước như mong muốn ở ngõ ra. nước từ 2 ngõ vào nước nóng và nước lạnh với một tỷ Hình 4 mô tả sơ đồ thí nghiệm khảo sát đặc tính của lệ phù hợp để nước ở ngõ ra có nhiệt độ như mong van điều khiển 3 ngã được điều khiển bởi động cơ muốn. Van điện có cấu tạo gồm một van 3 ngã thông servo. Ba cảm biến lưu lượng FI-01, FI-02 và FI-03 thường kết hợp với 01 động cơ servo. Góc quay của được sử dụng để đo lưu lượng dòng nước nóng, nước động cơ servo được điều khiển bởi bộ vi xử lý dựa trên lạnh và dòng nước pha trộn ở ngõ ra. Mục tiêu của giải thuật điều khiển. khảo sát này là kiểm chứng độ tuyến tính của van và Cảm biến nhiệt độ: một vi mạch cảm biến nhiệt độ xác định kiểu điều tiết của loại van 3 ngã được sử DS18B20 [11] được sử dụng để đo nhiệt độ dòng nước dụng. Qua thực nghiệm, góc giới hạn mở van được xác 0 0 ở ngõ ra của van điện 3 ngã. Dữ liệu về nhiệt độ được định thuộc khoảng giá trị [30 ,140 ]. Cụ thể, góc mở 0 cảm biến truyền về bộ vi xử lý theo giao tiếp chuẩn 1- van 30 tương ứng với việc mở van 100% lưu lượng 0 Wire [12]. nước nóng và góc mở van 140 tương ứng với mở van Mô-đun thu/phát RF: một mô-đun thu/phát sóng RF 100% lưu lượng nước lạnh. Kết quả thí nghiệm đáp HC11 [13] hoạt động trên dải tần số 433 MHz được sử ứng lưu lượng nước qua van ở Hình 5 cho thấy khi thay dụng để truyền/nhận dữ liệu điều khiển giữa bộ vi xử lý đổi góc mở van từ nhỏ đến lớn, lưu lượng ngõ vào và bộ điều khiển từ xa. nước nóng giảm dần gần như tuyến tính. Lưu lượng ngõ vào nước lạnh cũng có tính chất tương tự nhưng Bộ điều khiển từ xa (Hình 2), hoạt động bằng theo chiều hướng ngược lại. Lưu lượng nước ở ngõ ra nguồn pin 9V, cho phép người dùng điều chỉnh giá trị van được duy trì ổn định trong quá trình pha trộn nước nhiệt độ nước mong muốn từ xa thông qua kết nối từ 2 ngõ vào. không dây nhằm tạo sự tiện lợi trong quá trình sử dụng. 2. Thí nghiệm mô hình bộ ổn định nhiệt độ: Để xác định các thông số cần thiết cho bộ điều khiển ổn định nhiệt độ, một mô hình thí nghiệm việc pha trộn và ổn định nhiệt độ nước đã được thiết lập như ở Hình 6. Trong mô hình, 02 bình nước nóng và nước lạnh được sử dụng để mô phỏng các nguồn nước nóng từ máy năng lượng mặt trời và nguồn nước máy thông 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 mô phỏng quá trình điều khiển van 3 ngã ổn định nhiệt độ nước được mô tả ở Hình 7. Hệ Hình 1. Sơ đồ khối bộ ổn định nhiệt độ máy nước nóng năng thống được thiết kế với 03 cảm biến lưu lượng YF- lượng mặt trời. S201 [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 Hình 2. Sơ đồ khối bộ điều khiển từ xa. dạng SCADA (điều khiển, giám sát và thu thập dữ ISBN: 978-604-80-5076-4 247
3. 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). Hình 7. Giao diện chương trình Matlab-Simulink mô phỏng điều khiển van 3 ngã. (a) (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. Giải thuật điều khiển PID: Trong nghiên cứu này, bộ ổn định nhiệt độ được xây dựng theo nguyên lý điều khiển PID vòng kín [17- 19]. 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 Hình 6. Mô hình thí nghiệm bộ ổn định nhiệt độ. 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 ISBN: 978-604-80-5076-4 248
4. 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 quá 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 Hình 13. Đáp ứng điều khiển pha trộn nước ổn định nhiệt độ ứng tần số cho hệ điều khiển dạng vòng kín [20]. Theo o 0 tại t = 40 C với thông số Kp = 0,15, Ki = 0,1 và Kd = 0,001. đó, quá 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 IV. THIẾT KẾ PHẦM MỀM HỆ THỐNG hệ dao động với một chu kỳ nhất định. Sau quá trình Lưu đồ giải thuật điều khiển hoạt động của bộ ổn khởi tạo điều khiển tỷ lệ P, các thông số của bộ điều định nhiệt độ được trình bày ở Hình 14. Theo giải thuật khiển PID lúc này được tinh chỉnh theo phương pháp này, hệ thống sẽ được đưa vào chế độ ngủ (sleep mode) thực nghiệm và thu được kết quả như ở Hình 13 với K p để tiết kiệm năng lượng khi lưu lượng nước ngõ ra = 0,15, K = 0,1 và K = 0,001. Với kết quả này, hệ i d bằng 0 (trạng thái ngừng sử dụng) sau hơn 10 phút. thống có thời gian xác lập khoảng 65 giây và độ vọt lố Ngoài ra, để đảm bảo sự an toàn cho người dùng, hệ (percent of overshoot) là 1%. Các tham số K , K và K p i d thống có tính năng phát hiện hiện tượng mất kiểm soát của bộ điều khiển PID sẽ được sử dụng trong quá trình trong trường hợp bồn nước lạnh cạn đi và chỉ còn nhúng giải thuật điều khiển vào bộ vi xử lý. 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, phòng khi mất điện hệ thống sẽ tự ngắt dòng nước nóng qua thiết bị. Hình 10. Sơ đồ điều khiển PID vòng 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 Hình 12. Đáp ứng điều khiển pha trộn nước ổn định nhiệt độ phần mềm điều khiển hệ thống, bộ điều khiển ổn định tại to = 400 C với góc mở van khởi tạo bằng 900. 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. ISBN: 978-604-80-5076-4 249
5. 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 nước nóng năng lượng mặt trời góp phần tiết kiệm kiện thực tế cho thấy, với các thông số điều khiển năng lượng và mang đến sự an toàn, tiện lợi cho người được tinh chỉnh một lần nữa Kp = 0,18, Ki = 0,12 và Kd sử dụng. = 0,0025, hệ thống có thời gian xác lập khoảng 60 giây và độ vọt lố không quá 5% (Hình 16). Kết quả điều TÀI LIỆU THAM KHẢO khiển nhiệt độ có sai số trong khoảng ±10 C. Với kết [1] Vũ Lê, Thăng Long, “Sức hút nguồn năng lượng tái tạo ở Nam quả này, hệ thống có thể đáp ứng được nhu cầu sử Trung bộ và miền Nam”. URL: dụng trong thực tế. Kết quả thực nghiệm cũng cho [2] Solar water heating. URL: thấy mức độ thay đổi của góc mở van điều khiển là rất ít trong quá trình vận hành. Điều này giúp tiết kiệm [3] Yu Gui Yin, “Design and Application of Solar Water Heater Intelligent Control System”, in Proceedings of the 2009 điện năng tiêu thụ cũng như tăng tuổi thọ van và động International Conference on Energy and Environment cơ điều khiển. Technology - Volume 01. October 2009, pages 580–583. Ngoài ra, do được thiết kế để hoạt động với nguồn [4] I.A. Odigwe et al., “A Microcontroller-based Active Solar điện 12V DC, hệ thống có thể được tích hợp bộ nguồn Water Heating System for Domestic Applications”, International Journal of Renewable Energy Research, Vol. 3, điện năng lượng mặt trời cho phép thiết bị có thể hoạt No. 4, pages 837-845, 2013. động an toàn và không phụ thuộc vào nguồn điện lưới. [5] 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. [6] 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. [7] 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. [8] 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. Hình 15. Lắp đặt bộ điều khiển ổn định nhiệt độ trong thực tế. 68, pages 541–562, 2017. [9] 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. [10] Arduino Nano. URL: [11] DS18B20 datasheet. URL: [12] 1-Wire. URL: [13] 433-MHz RF wireless module (HC-11). URL: [14] Động cơ Digital RC Servo LD-27MG. URL: 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 [15] Simulation and Model‑Based Design. URL: Kd = 0,0025. [16] Cảm biến lưu lượng YF-S201. URL: VI. KẾT LUẬN [17] Karl Johan Åström and Tore Hägglund. “Automatic Tuning of Bài viết này đã trình bày việc thiết kế và thi công PID Controllers”. Instrument Society of America, Research bộ ổn định nhiệt độ cho máy nước nóng năng lượng Triangle Park, 1988. mặt trời thụ động. Hệ thống đề xuất được xây dựng dựa [18] H. Nguyen and T. H. Huynh, "Controlling the Position of the trên mô hình điều khiển PID cho phép điều chỉnh góc Carriage in Real-Time Using the RBF Neural Network Based mở của van điện để pha trộn nguồn nước nóng từ máy PID Controller," in Proc. of the 18th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), năng lượng mặt trời và nguồn nước ở nhiệt độ môi Daegwallyeong, 2018, pp. 1418-1423. trường nhằm đạt được nhiệt độ nước mong muốn. [19] Nguyễn Chí Ngôn, “Tối ưu hóa bộ điều khiển PID bằng giải Nghiên cứu đã đề xuất giải pháp sử dụng loại van 3 thuật di truyền”. Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, Số 9, ngã thông dụng để thiết kế van điện cùng với giá trị trang 241-248, 2008. góc mở van ban đầu tối ưu nhằm đạt được các yêu cầu [20] Palmor, Z. J. and R. Shinnar, “Design of sampled data controllers.” Industrial Eng. Chem. Process Design and về hiệu quả năng lượng và thời gian đáp ứng. Kết quả Development, Vol.18, No.1, pp. 8–30, 1979. nghiên cứu cung cấp một chức năng tiên tiến cho máy ISBN: 978-604-80-5076-4 250