Kết quả nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển và hệ thống sạc điện từ pin năng lượng mặt trời cho thiết bị quang năng phòng trừ côn trùng gây hại cây trồng nông lâm nghiệp

TÓM TẮT

Thiết bị quang năng là một giải pháp vật lý hiệu quả, thân thiện với môi trường trong việc phòng trừ côn trùng gây hại cây trồng nông lâm nghiệp. Tuy nhiên, việc triển khai các thiết bị này ở những khu vực xa lưới điện đòi hỏi một hệ thống cấp nguồn và điều khiển tự chủ, hiệu quả và có độ bền cao. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống tích hợp, bao gồm mạch điều khiển thông minh và một trạm sạc điện từ pin năng lượng mặt trời có cơ cấu quay theo hướng nắng. Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32F103, cho phép vận hành tự động theo thời gian, điều khiển từ xa qua sóng GSM và tạo ra điện áp cao (đến 5kV) để tiêu diệt côn trùng. Trạm sạc được thiết kế với bộ điều khiển có khả năng hoạt động với dải điện áp đầu vào rộng (5–42V) và cơ cấu xoay hai trục, giúp tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng. Kết quả khảo nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Trong điều kiện mùa hè, trạm sạc có thể nạp đồng thời cho 4-5 thiết bị, đảm bảo các ắc quy được nạp đầy trước khi triển khai vào buổi chiều. Cơ cấu xoay theo hướng nắng đã chứng tỏ hiệu quả vượt trội so với hệ thống cố định, đặc biệt là khả năng nạp điện hiệu quả vào đầu buổi sáng và cuối buổi chiều. Nghiên cứu đã phát triển thành công một giải pháp toàn diện, tự chủ về năng lượng, góp phần nâng cao hiệu quả và tính khả thi của các thiết bị quang năng trong thực tiễn sản xuất nông lâm nghiệp bền vững.

Từ khóa: Thiết bị quang năng, mạch điều khiển, côn trùng gây hại.

RESEARCH RESULTS ON DESIGN OF CONTROL CIRCUIT AND CHARGING SYSTEM FROM SOLAR BATTERY FOR PHOTOSOLAR DEVICES TO PREVENT INSECTS THAT DAMAGE AGRICULTURAL AND FORESTRY CROPS

ABSTRACT

Phototactic devices offer an effective and environmentally friendly physical solution for controlling insect pests in agriculture and forestry. However, the deployment of these devices in off-grid areas necessitates an autonomous, efficient, and robust power supply and control system. This paper presents the results of the research, design, and fabrication of an integrated system, comprising an intelligent control circuit and a solar charging station equipped with a sun-tracking mechanism. The control system, based on an STM32F103 microcontroller, enables automated time-based operation, remote control via GSM, and the generation of a high voltage (up to 5kV) for pest elimination. The charging station is engineered with a controller capable of handling a wide input voltage range (5–42V) and features a dual-axis tracking mechanism to optimize energy harvesting efficiency. Experimental results demonstrate that the system operates with high stability and efficiency. Under summer conditions, the station can simultaneously charge 4-5 devices, ensuring their batteries are fully charged before evening deployment. The sun-tracking mechanism demonstrated superior performance compared to a fixed system, particularly in its ability to charge effectively during the early morning and late afternoon hours. This research has successfully developed a comprehensive, energy-autonomous solution, enhancing the effectiveness and practical feasibility of phototactic devices in sustainable agricultural and forestry practices.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhằm hướng tới nền nông nghiệp bền vững và thân thiện với môi trường, các giải pháp sinh học – cơ học phòng trừ sâu bệnh đang ngày càng được quan tâm và phát triển. Trong đó, thiết bị quang năng diệt côn trùng sử dụng trạm nguồn sạc từ pin năng lượng mặt trời là một hướng đi tiềm năng, đặc biệt phù hợp với điều kiện sản xuất tại các vùng nông thôn và lâm nghiệp có điện lưới hạn chế. Các thiết bị này thường hoạt động theo nguyên lý sử dụng ánh sáng UV để thu hút côn trùng, sau đó tiêu diệt hoặc bắt giữ chúng thông qua các cơ chế như lưới điện, quạt hút, hoặc bẫy dính. Tuy nhiên, để thiết bị hoạt động hiệu quả và ổn định trong điều kiện ngoài trời, đặc biệt là vào ban đêm, cần có một mạch điều khiển thông minh và hệ thống sạc năng lượng tối ưu. Mạch điều khiển phải đảm nhận nhiều chức năng: tự động bật/tắt theo yêu cầu thực tế, bảo vệ pin sạc quá tải hoặc quá xả, phân phối năng lượng hợp lý cho các thiết bị tiêu thụ (đèn UV, bộ tiêu diệt côn trùng gây hại), có thể tích hợp cảm biến hoặc kết nối từ xa để giám sát và điều khiển hệ thống. Đồng thời, hệ thống sạc từ pin năng lượng mặt trời cần đảm bảo hiệu suất chuyển đổi điện năng cao, có khả năng điều tiết dòng sạc phù hợp với loại pin sử dụng (pin lithium-ion hoặc ắc quy axit-chì), và hoạt động ổn định trong các điều kiện ánh sáng thay đổi theo thời tiết.

Trong bối cảnh sản xuất nông lâm nghiệp hiện đại, việc kiểm soát côn trùng gây hại cây trồng là một trong những yếu tố then chốt nhằm đảm bảo năng suất, chất lượng nông lâm sản và sự bền vững của hệ sinh thái canh tác. Các biện pháp truyền thống như sử dụng thuốc bảo vệ thực vật tuy đem lại hiệu quả tức thời nhưng đồng thời gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng: ô nhiễm môi trường, tồn dư hóa chất trong nông lâm sản, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và làm suy giảm đa dạng sinh học. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ vào sản xuất nông lâm nghiệp đang trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao năng suất, chất lượng nông lâm sản và bảo vệ môi trường sinh thái. Một trong những thiết bị tiên tiến hiện nay là hệ thống quang năng phòng trừ côn trùng gây hại — thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý thu hút và tiêu diệt côn trùng bằng ánh sáng. Thiết bị đặc biệt hữu ích trong việc giảm thiểu sử dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học, góp phần bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái. Tuy nhiên, để thiết bị hoạt động hiệu quả, ổn định và bền vững, việc tính toán thiết kế mạch điều khiển cũng như hệ thống trạm sạc điện từ pin năng lượng mặt trời có khả năng quay theo hướng mặt trời là điều hết sức cần thiết.

Mạch điều khiển đóng vai trò như “bộ não” của toàn bộ hệ thống. Nó chịu trách nhiệm kiểm soát các chức năng quan trọng trong điều khiển và vận hành thiết bị. Nếu mạch điều khiển không được thiết kế chuẩn xác, thiết bị sẽ hoạt động không ổn định, tiêu tốn điện năng không cần thiết hoặc có thể hư hỏng sau thời gian ngắn sử dụng. Thực tế hiện nay cho thấy, nhiều thiết bị đèn bắt côn trùng vẫn sử dụng các mạch điều khiển đơn giản, thiếu các tính năng bảo vệ và điều phối thông minh, dẫn đến tình trạng nhanh hỏng hóc, hiệu suất kém, hoặc tiêu tốn năng lượng không cần thiết. Nghiên cứu và thiết kế một hệ thống điều khiển tích hợp với sạc năng lượng mặt trời tối ưu, linh hoạt, giá thành hợp lý nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả hoạt động là yêu cầu cấp thiết trong xu hướng phát triển thiết bị nông lâm nghiệp thông minh hiện nay. Do đó, việc tính toán và thiết kế một mạch điều khiển thông minh, linh hoạt, có khả năng tích hợp sóng GSM, cảm biến dòng/áp và khả năng lập trình là yếu tố tiên quyết giúp thiết bị vận hành hiệu quả trong mọi điều kiện môi trường.

Bên cạnh đó, trạm sạc năng lượng mặt trời là nguồn cấp điện chính cho thiết bị, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các thiết bị này thường được đặt ở những vùng xa xôi, không có lưới điện. Việc sử dụng hệ thống tấm pin cố định sẽ làm hạn chế khả năng thu nhận năng lượng do sự thay đổi góc chiếu ánh sáng trong ngày và theo mùa. Do đó, giải pháp thiết kế trạm sạc có khả năng quay tấm pin theo hướng chuyển động của mặt trời (solar tracking) là cực kỳ cần thiết nhằm tối đa hóa lượng điện thu được. Hệ thống này giúp nâng cao hiệu suất thu năng lượng lên 20–40% so với hệ thống cố định, qua đó giảm thời gian sạc, tăng khả năng tích điện và duy trì hoạt động liên tục cho thiết bị vào ban đêm hoặc khi thời tiết xấu.

Sự kết hợp giữa mạch điều khiển thông minh và hệ thống trạm sạc điện từ pin năng lượng mặt trời quay theo hướng di chuyển của mặt trời không chỉ giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của thiết bị quang năng mà còn nâng cao tính tự động hóa và giảm công tác vận hành thủ công. Đồng thời, hệ thống này góp phần thúc đẩy mô hình nông nghiệp công nghệ cao, thân thiện với môi trường, phù hợp với xu thế chuyển đổi xanh và phát triển bền vững hiện nay. Chính vì vậy, việc tính toán và thiết kế tổng thể cả mạch điều khiển và trạm sạc có khả năng điều chỉnh hướng tấm pin là nhiệm vụ cấp thiết, mang tính ứng dụng thực tiễn cao, có ý nghĩa lâu dài đối với ngành nông lâm nghiệp hiện đại và góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo và công nghệ điện tử vào lĩnh vực nông – lâm nghiệp.

2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

- Thiết bị quang năng cho phòng trừ côn trùng gây hại cây trồng nông lâm nghiệp. Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý dẫn dụ côn trùng bằng áng sáng và tiêu diệt do phóng điện hồ quang do sự cố ngắn mạch.

- Công nghệ vi điều khiển trong điều khiển cường độ ánh sáng, đóng/ngắt thiết bị theo yêu cầu, điều khiển dòng điện cao áp và sạc điện từ pin năng lượng mặt trời.

- Pin năng lượng mặt trời và hướng quay của mặt trời trong năm.

Hình 1: Tổng thể thiết kế thiết bị quang năng

Bảng 1. Thông số kỹ thuật chính của thiết bị quang năng

Nguyên tắc làm việc của hệ thống điều khiển thiết bị quang năng tự động và từ xa:

Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của hệ thống điều khiển như hình 2 sau:

Điều khiển thiết bị quang năng hoạt động tự động hẹn giờ: Thực hiện bằng rơle thời gian.

- Thời gian chờ t₁ và thời gian hoạt động t₂ thay đổi được tùy ý theo từng giây (s), phút (m) và giờ (h) và được lựa chọn, cài đặt trên (5) tương ứng với thời gian côn trùng trưởng thành cần diệt ra khỏi nơi ẩn nấp và hoạt động trong đêm theo kết quả nghiên cứu bảo vệ thực vật. Để thực hiện chế độ điều khiển này, cần bật công tắc (3) lên phía trên và đóng công tắc nguồn (2), dòng điện từ ắc quy tới bộ chuyển đổi điện (5) chuyển nguồn điện 12VDC thành điện 220VAC 50 Hz cấp tới rơle (6). Rơle bắt đầu hoạt động và sau khi chạy hết thời gian t₁ sẽ chuyển sang giai đoạn t₂ đóng mạch điều khiển.

Hình 2. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động hệ thống điều khiển

1. Ắc quy 12V, 2. Cầu chì và công tắc tắt nguồn điện, 3. Công tắc đảo chiều (chuyển chế độ Điều khiển tự động theo thời gian → Điều khiển từ xa và ngược lại), 4. Bộ điều khiển từ xa bằng tin nhắn SMS, 5. Bộ chuyển đổi điện 12VDC → 220 VAC 50 Hz, 6. Bộ điều khiển (rơle) tự động theo thời gian, 7. Công tắc đóng cắt điều khiển quạt gió, 8. Quạt gió khuếch tán pheromon, 9. Đèn dẫn dụ ngoài và đèn dẫn dụ trong, 10. Công tắc đóng cắt bằng tay cấp điện đến bộ tạo xung điện cao áp, 11.Bộ tạo xung điện cao áp từ điện ắc quy, 12. Núm xoay điều chỉnh cường độ điện cao áp, 13. Các cặp bản cực phóng điện.

- Ở giai đoạn t₂, dòng điện điều khiển theo chu kỳ dao động gồm dòng điện một chiều 12V dẫn tới công tắc (10) và dòng điện xoay chiều 220V tới cụm công tắc (7), khi công tắc (7) đóng mạch, cấp điện 220 V cho các đèn dẫn dụ, khi công tắc (10) đóng sẽ cấp điện 12V đến bộ tạo ra xung điện cao áp (11). Cường độ xung điện cao áp biến động theo chu kỳ dao động, thay đổi được 3 cấp: 2,0kV, 3,0kV và 5,0kV DC tương ứng khi xoay công tắc (12) đến vị trí số 1, 2 và 3. Chọn cấp cường độ điện cao áp tùy thuộc vào kích thước của côn trùng trưởng thành cần diệt. Khi hết thời gian t₂, rơle (6) cắt dòng điều khiển nên toàn bộ hệ thống thiết bị ngừng hoạt động.

Điều khiển thiết bị quang năng từ xa: Được thực hiện bằng tin nhắn thông qua sóng điện thoại GMS, người điều khiển để chủ động cắt mạch điện nối từ ắc quy đến bộ chuyển đổi điện (5) khi mưa lớn, giông lốc bất thường trong khi thiết bị đang hoạt động theo chế độ điều khiển tự động theo thời gian. Để thực hiện điều khiển từ xa, cần bật công tắc (3) xuống dưới. Khi lệnh điều khiển theo tin nhắn chuyển tới bộ điều khiển (4), tin nhắn lệnh được (4) chuyển thành tín hiệu điện điều khiển công tắc đóng/cắt mạch điện nêu trên và quá trình hoạt động tiếp theo như ở chế độ điều khiển tự động theo thời gian.

b) Nguyên tắc hoạt động dẫn dụ và bẫy diệt côn trùng:

Đèn dẫn dụ ngoài phát sáng hấp dẫn các côn trùng trưởng thành có xu tính ánh sáng ở gần xung quanh và ở xa tìm đến nguồn sáng. Các loài côn trùng trưởng thành hoạt động đêm không bị kích thích bởi ánh sáng nên bay tìm đến. Khi ở gần, chúng bị hấp dẫn mạnh bởi ánh sáng đèn UV nên bay lao mạnh vào nguồn kích thích. Các loài côn trùng trưởng thành bay qua khe của rào chắn bảo vệ ở mặt ngoài khung chính vào trong va chạm vào cặp bản cực điện cao áp và trở thành vật dẫn điện. Dòng điện phóng qua làm chúng tê liệt. Các côn trùng trưởng thành khác có thể bị va đập vào nhau từ ngay ngoài rào chắn bảo vệ hoặc va đập vào rào này nên cũng bị thương và rơi xuống khay nước. Do vậy, thiết bị quang năng có thể bắt diệt triệt để hầu hết các loài côn trùng trưởng thành hoạt động đêm có kích thước rất khác nhau bị hấp dẫn bởi ánh sáng đèn hoặc bôi phủ thêm pheromon trên cặp cực.

2.2. Yêu cầu nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế được mạch điều khiển cho thiết bị quang năng phòng trừ côn trùng gây hại trong nông lâm nghiệp như Hình 1, với một số chỉ tiêu cụ thể sau:

- Thiết bị sử dụng đèn dẫn dụ (UV/LED công suất 5–20W), hoạt động từ nguồn điện AC được chuyển đổi từ nguồn DC của ắc quy thông qua mạch nghịch lưu (inverter). Hệ thống điện lưu trữ sử dụng ắc quy được sạc từ trạm pin năng lượng mặt trời hoặc điện lưới. Trạm sạc điện từ pin năng lượng mặt trời có hiệu suất cao, đảm bảo cơ động tốt và điều chỉnh được góc hứng sáng từ ánh sáng mặt trời.

- Hệ thống được thiết kế để đảm bảo hoạt động ổn định, sạc đầy ắc quy trong ngày và cung cấp đủ năng lượng để thiết bị hoạt động cả đêm với hiệu suất chuyển đổi η ≈ 85%.

- Mạch sạc sử dụng IC điều khiển năng lượng mặt trời có khả năng điều chỉnh dòng sạc và bảo vệ quá áp. Mạch điều khiển thực hiện tín hiệu điều khiển bật/tắt đèn tự động theo thời gian hoặc tin nhắn GMS. Bộ MOSFET được sử dụng để đóng/ngắt tải theo tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển.

2.3. Phương pháp nghiên cứu thiết kế

- Kế thừa kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu cải tiến thiết bị bẫy đèn diệt công trùng gây hại cây trồng nông lâm nghiệp có hiệu quả cao và sử dụng điện năng lượng mặt trời” là thông tin đầu vào để có cơ sở tính toán, thiết kế mạch điều khiển và hệ thống sạc điện từ pin năng lượng mặt trời cho thiết bị quang năng.

- Phương pháp điều tra, khảo sát và thu thập thông tin từ các kênh trong nước, ngoài nước, trực tiếp khảo sát tại hiện trường và từ tài liệu có sẵn để lựa chọn nguyên lý, kết cấu mạch điều khiển và giải pháp sạc điện từ pin năng lượng mặt trời cho thiết bị quang năng.

- Phương pháp tính toán, thiết kế: sử dụng phương pháp kế thừa, tham khảo tài liệu về nguyên lý hoạt động và phương pháp tính toán thiết kế mạch trong và ngoài nước. Các bước tính toán các thông số chính về kết cấu cũng như các thông số công nghệ của hệ thống cấp điện năng lượng mặt trời được tiến hành như sau: Phân tích lựa chọn phương án thiết kế; Tính toán xác định các thông số công suất, kết cấu cơ khí; Thiết kế mạch in, lựa chọn linh kiện,.. lựa chọn góc quay tấm pin, giải pháp thay đổi góc quay,…

- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm thiết kế: Ứng dụng phần mềm thiết kế 2D, 3D chuyên dụng (Autorcad, Solidwork, Invetor,..) để xây dựng chi tiết, cụm chi tiết và lắp ghép mô phỏng tổng thể kết cấu trạm sạc pin NLMT.

2.3.1. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển

* Cơ sở lý thuyết và khảo sát thực tiễn: Tổng quan nguyên lý hoạt động của đèn bẫy côn trùng: Tìm hiểu đặc điểm sinh học của các loài côn trùng gây hại chính trong nông lâm nghiệp, đặc biệt là thói quen hoạt động về đêm và khả năng cảm nhận ánh sáng. Từ đó xác định yêu cầu về công suất, loại bóng đèn, thời gian chiếu sáng phù hợp. Khảo sát thực tế tại các mô hình đang áp dụng đèn bẫy thủ công và bán tự động ở các địa phương đánh giá các nhược điểm về mặt tiết kiệm điện, tính tự động và khả năng điều khiển linh hoạt.

* Phương pháp thiết kế và tính toán mạch điều khiển:

+ Lựa chọn vi điều khiển/IC điều khiển: Sử dụng vi điều khiển phổ biến STM32F103 để đảm nhiệm chức năng điều khiển thời gian, đọc tín hiệu và điều khiển relay bật/tắt đèn. Đối với tính năng hẹn giờ sử dụng IC thời gian thực (RTC) DS3231 kết hợp mạch relay.

+ Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in (PCB): Sử dụng phần mềm Altium Designer để thiết kế mạch nguyên lý. Tính toán thông số của các linh kiện: điện trở, tụ, relay, transistor, MOSFET điều khiển tải. Thiết kế mạch in hai lớp tối ưu việc tản nhiệt và hạn chế nhiễu điện từ.

+ Lập trình điều khiển: Viết chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ C/C++ trên Arduino IDE. Tích hợp thư viện cho cảm biến ánh sáng (LDR), module thời gian thực RTC và relay điều khiển. Tạo thuật toán bật/tắt linh hoạt (có thể thay đổi thông qua nút nhấn và tin nhắn GMS).

* Mô phỏng và thử nghiệm:

Mô phỏng sơ bộ hoạt động mạch điều khiển bằng phần mềm Altium Designer để kiểm tra logic, kiểm soát relay. Lắp ráp mô hình thực nghiệm: Sản xuất mạch PCB mẫu và lắp ráp mạch điều khiển. Kết nối với bóng đèn UV, nguồn điện AC. Kiểm tra hoạt động trong điều kiện thực tế ngoài trời: thời gian bật/tắt, độ trễ phản hồi, tiêu thụ điện.

Đo đạc và đánh giá các thông số: Thời gian hoạt động ổn định của hệ thống. Hiệu suất năng lượng so với thiết bị điều khiển thủ công. Mức độ thu hút côn trùng tại các thời điểm khác nhau trong đêm. So sánh hiệu quả với các mô hình đèn bẫy thông thường để đánh giá giá trị gia tăng của mạch điều khiển tự động. Dựa trên kết quả thử nghiệm, tiến hành tinh chỉnh phần cứng và phần mềm nhằm nâng cao độ ổn định, độ bền, và khả năng mở rộng trong tương lai.

2.3.2. Nghiên cứu thiết kế bộ thiết bị tạo và nạp điện từ pin NLMT:

a). Phương pháp nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị tạo điện NLMT

* Định hướng: khung lắp tấm pin mặt trời quay được quanh trục theo phương Đông - Tây với 12 mức tương ứng 12 tháng/năm và trục theo phương Bắc - Nam với 9 mức giờ trong ngày tương ứng từ 8 ÷ 16 giờ, để hướng mặt tấm pin hướng vuông góc với tia nắng mặt trời nhằm tăng hiệu suất hấp thụ, tạo lượng điện năng cao nhất; tăng điện áp đầu ra của tấm pin vào nửa đầu buổi sáng, nửa cuối buổi chiều để có thể nạp điện cho ắc quy cũng như tích điện lưu trữ.

* Phương pháp chung: Dựa trên quy luật động học của mặt trời và sử dụng phần mềm Autocad xây dựng sơ đồ động học → xây dựng sơ đồ cấu trúc tổng quát → Phát triển các cụm kết cấu, bộ phận hệ thống và các chi tiết → Xây dựng bản vẽ các chi tiết, bản vẽ lắp các cụm kết cấu và toàn bộ thiết bị → Chế tạo mẫu thử → Vận hành thử, phát hiện các sai sót → Sửa chữa hoàn thiện mô hình → Thử nghiệm trong sản xuất.

* Phương pháp tính toán thiết kế một số thông số chính, kết cấu chính của thiết bị:

- Chọn loại pin và tính số lượng tấm pin mặt trời theo yêu cầu công suất nguồn điện:

Số tấm pin cần có:  n = 1000.Q_n/(S_p. £ . B_xTB .T_h) (tấm)               (1)

Q_n (kWh): Công suất (hoặc sản lượng) điện thiết bị cần tạo được trong ngày.

S_p (m²): Tổng diện tích mặt các tấm pin mặt trời lắp trên thiết bị.

B_xTB (W/m²): Cường độ năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt đất trung bình trong ngày.

£ (%): hiệu suất quang của loại pin, T_h (giờ): số giờ nắng trong ngày.

Hình 3. Sơ đồ cấu trúc và hoạt động của cơ cấu định vị tấm pin quay theo giờ trong ngày

- Tính toán thông số chính và xác lập kết cấu của cơ cấu quay và khóa định vị khung lắp pin theo giờ trong ngày và tháng trong năm: căn cứ sơ đồ cấu trúc động học cấu trúc của thiết bị, đặc tính động học và thiên văn của trái đất. Cấu trúc thiết bị dự kiến và nguyên tắc làm việc được mô phỏng như sau:

+ Khung trong: lắp tấm pin mặt trời, quay quanh trục phương Bắc Nam để điều chỉnh mặt pin vuông góc với ánh nắng mặt trời theo thời gian trong ngày, không quay liên tục mà theo các mức (ngưỡng) cách nhau 30 phút hoặc 1 giờ bắt đầu từ 7 giờ và kết thúc lúc 17 giờ hàng ngày. Tại các mức, khung trong được chốt khóa cố định chống gió, mặt pin vuông góc với hình chiếu của tia nắng trên mặt phẳng thẳng đứng theo phương Đông – Tây. Ở thời điểm 12 giờ, mặt pin vuông góc với mặt phẳng thẳng đứng.

+ Khung giữa: đỡ khung trong, liên kết với khung trong bằng trục và ổ đỡ; liên kết với khung ngoài bằng trục quay theo phương Đông – Tây, mặt nghiêng về phía xích đạo và quay theo trục này 12 mức tương ứng với 12 mức tháng trong năm. Tại các mức, khung giữa được khóa định vị với khung ngoài (cố định trên nền sân). Vào lúc 12 giờ 00 ngày Đông chí (22/12), khung giữa khi đã được khóa phải đảm bảo mặt tấm pin vuông góc với tia nắng.

+ Khung ngoài đặt cố định trên mặt nền bằng phẳng, đỡ khung giữa và liên kết với trục quay của khung giữa qua 2 cụm ổ đỡ trục.

Hình 4. Sơ đồ cấu trúc và hoạt động của cơ cấu khóa định vị khung giữa đỡ  khung trong quay theo mức tháng trong năm

+ Cơ cấu khóa trục khung (hình 3) theo nguyên tắc sử dụng chốt thép chuyển động tịnh tiến ra vào trong các cặp lỗ của đĩa thép hàn trên trục khung trong. Vòng tròn chia các lỗ đồng tâm với trục khung trong. Khung giá lắp chốt được cố định trên khung giữa và có bộ phận đàn hồi tự đóng khóa khi khung trong quay đến các mức giới hạn. Đóng mở chốt khóa bằng cơ học được truyền động từ trục khung trong hoặc điện từ (nam châm điện). Đóng mở khóa và quay trục khung trong hằng ngày, sau 30 phút hoặc 1 giờ. Cơ cấu khóa trục khung giữa (hình 4) theo 12 vị trí tháng trong năm gồm 2 cụm chốt khóa có bộ phận đàn hồi ở hai bên thành khung giữa và 2 thanh cung tròn có các lỗ định vị theo tháng trên khung ngoài. Đóng mở cơ cấu khóa và quay khung giữa bằng cơ cấu quay tay mỗi tháng 1 lần.

b). Phương pháp nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ nạp điện NLMT

* Phương pháp nghiên cứu thiết kế mô đun mạch bán dẫn điện tử công nghiệp.

- Xác định tính năng, nguyên lý hoạt động, thiết lập cấu trúc hệ thống.

- Tính toán thiết kế các cấu trúc bộ phận của thiết bị: bộ phận bảo vệ, điều chỉnh ổn áp bán dẫn, mạch nạp điện và bảo vệ tự động chống quá tải, ngược cực, tự ngắt khi nạp đầy,..

- Lựa chọn vật liệu, linh kiện điện tử bán dẫn, chế tạo và thử nghiệm thiết bị.  

* Phương pháp thử nghiệm, khảo nghiệm các bộ phận điện tử bán dẫn, hệ thống điều khiển tự động không cảm biến.

2.3.3. Khảo nghiệm đánh giá khả năng làm việc bộ thiết bị tạo và nạp điện NLMT

a. Khảo nghiệm đối chứng khả năng sinh điện và tạo điện áp cho bộ nạp điện NLMT cho ắc quy của thiết bị

* Thí nghiệm đồng thời trên thiết bị tạo điện NLMT (gọi tắt: ĐMT) và mô hình thiết bị điện mặt trời trong sản xuất (ĐMTSX) trong ngày nắng nóng giữa mùa hè và ngày nắng khô giữa mùa đông, ở mỗi điều kiện thí nghiệm lặp 3 lần từ khoảng 7 giờ 30 - 17 giờ trong mùa hè, 8 -16 giờ trong mùa đông. Đồng nhất loại pin mặt trời lắp trên 2 mô hình, trong đó: tấm pin ở ĐMTSX trên khung giá đỡ cố định, mặt hướng về xích đạo với góc giữa pháp tuyến mặt pin và phương thẳng đứng bằng 2 lần góc vĩ độ vùng nơi thí nghiệm.

- Các mô hình thí nghiệm đặt cạnh nhau trên nền sân bằng phẳng không bị che nắng hoặc phản xạ ánh sáng, đúng phương hướng quy định theo thiết kế.

- Vận hành ĐMT trong thời gian thí nghiệm theo đúng quy trình kỹ thuật.

* Dàn thí nghiệm thu thập số liệu theo hình 5. Số liệu thu thập gồm: điện áp đầu ra sau tấm pin U (V/DC) và cường độ dòng điện trong mạch phụ tải I (A). Thời điểm thu số liệu cách nhau 10 phút. Kết quả được tự động lưu máy tính và hiển thị trên Vol kế và Ampe kế.

Trên mỗi thiết bị thí nghiệm, thu số liệu ở mỗi thời điểm ít nhất ở 3 chế độ, số phụ tải khác nhau tăng dần hoặc giảm dần bằng các công tắc một chiều sau phụ tải. Việc tăng số phụ tải trong mạch dừng lại khi điện áp trên Vol kế giảm gần tới giới hạn cực tiểu của dải điện áp hoạt động của bộ nạp điện NLMT. Trong mỗi đợt thu số liệu ở mỗi thời điểm, xong ở ĐMT và chuyển sang ĐMTSX hoặc ngược lại, đồng thời cần thực hiện nhanh chóng bằng công tắc đảo chiểu để ít có sự thay đổi cường độ NLMT truyền tới tấm pin ở 2 thiết bị. Khi thu thập số liệu điện áp hở mạch ở đầu ra của tấm pin trên 2 mô hình cần cắt bỏ các phụ tải ra khỏi mạch bằng các công tắc một chiều sau mỗi phụ tải.

Hình 5. Sơ đồ dàn thí nghiệm so sánh khả năng sinh điện và điện áp sau tấm pin mặt trời trên Thiết bị tạo điện NLMT cải tiến và thiết bị tạo điện NLMT trong sản xuất

1. Tấm pin mặt trời trên Thiết bị tạo điện NLMT cải tiến, 2. Tấm pin mặt trời trên mô hình thiết bị điện NLMT trong sản xuất, 3. Aptomat, 4. Phụ tải (điện trở công suất 100 W), 5 và 6. Máy đo điện áp và cường độ dòng điện (kết nối máy tính).

* Tính toán kết quả thí nghiệm trên mỗi thiết bị:

- Công suất điện tạo ra ở thiết bị, mô hình sản xuất trong mỗi thí nghiệm: P_{ij =} U_ij. I_ij (W)            (2)

i = 1,2, .., n: số thứ tự  đợt thu thập số liệu ở từng thời điểm.

j = 1,2.., m: số phụ tải kết nối trong mạch

- Công suất tạo điện cực đại trong mỗi đợt thí nghiệm được xác định theo theo hàm cực đại trong phần mềm Excel: P_imax = Max (P_i1, P_i2,.. P_im ), (W)            (3)      

P_imax (W): công suất tạo điện cao nhất của tấm pin ở thời điểm của đợt thu thập số liệu thứ i trong ngày.

P_o (W): công suất tạo điện cực đại của tấm pin (theo công bố của nhà sản xuất)

- Xác định lượng điện năng thu được trong ngày từ NLMT của mỗi tấm pin:

 kWh/ngày            (4)

∆t (phút): là khoảng thời gian giữa 2 lần thu thập số liệu (10 phút).

n: số lần thu thập số liệu trong ngày mùa hè hoặc mùa đông.

b) Khảo nghiệm đánh giá khả năng làm việc của bộ thiết bị nạp điện NLMT

Mô hình thí nghiệm tại hình 6 và các công tắc để thay đổi phụ tải trong mạch nạp điện. Các thí nghiệm trong 2 điều kiện: ngày nắng nóng mùa hè và ngày nắng khô mùa đông. Các phụ tải đã phóng điện đến ngưỡng giới hạn của điện áp ắc quy 10,5 ÷ 11,0 V. Trong quá trình thí nghiệm cần hạn chế cường độ dòng điện nạp các ắc quy trong khoảng 1/6 ÷ 1/8 dung lượng ắc quy để tránh nóng, sôi dung dịch làm giảm tuổi thọ ắc quy, giảm nạp đầy và chống cháy nổ. Khi acquy đã được nạp đầy, quá trình nạp ngừng, điện áp đạt khoảng (12,6 ÷ 12,7) V.

Hình 6. Sơ đồ thí nghiệm khả năng nạp điện của bộ thiết bị tạo và nạp điện NLMT

1. Tấm pin mặt trời của Thiết bị tạo điện NLMT cải tiến, 2. Aptomat, 3. Thiết bị nạp điện NLMT, 4 và 5. Máy đo điện áp và cường độ dòng điện kỹ thuật số, 6. Ắc quy.

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

- Sơ đồ mạch điểu khiển tổng thể của thiết bị quang năng: Với yêu cầu thiết kế chế tạo thiết bị bẫy côn trùng bằng điện có tính linh động cao với khả năng mang đến đặt tại những vị trí không có nguồn lưới điện. Phương án đưa ra là sử dụng ắc quy khô có điện áp 12VDC lắp đặt trong thiết bị và được sạc điện từ hệ thống pin năng lượng mặt trời. Bài toán đặt ra lúc này là thiết kế chế tạo bộ điện cao áp đánh lửa từ nguồn điện 12VDC với khả năng tia lửa dài từ 5-7mm. Với yêu cầu đặt ra, một thiết bị cơ bản gồm các thành phần như hình 7.

- Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển: Mạch được cấp nguồn từ ắc quy 12V qua bộ hạ áp còn 5V cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động. Vi điều khiển kiểm tra các điều kiện để bật hoặc tắt lưới đánh lửa. Khi các điều kiện bật hoặc tắt hoạt động lưới đánh lửa và đèn dẫn dụ (đèn chiếu sáng) được đáp ứng. Vi điều khiển sẽ thực hiện ra lệnh đóng mở cấp điện hoạt động cho bộ chấp hành tương ứng. Khi bộ chấp hành bật tắt lưới đánh lửa được cấp điện hoạt động, bo mạch sẽ thực hiện chuyển đổi và nhân áp từ điện áp 12V sang điện cao áp 5kV và đưa ra lưới đánh lửa. Khi bộ chấp hành bật tắt đèn chiếu sáng được cấp điện hoạt động, bo mạch sẽ thực hiện chuyển đổi điện áp 12V một chiều sang điện áp 220V xoay chiều cấp cho bóng đèn dẫn dụ hoạt động.

Hình 7: Sơ đồ khối modul điều khiển thiết bị quang năng

- Kết cấu các mođul của mạch điều khiển:

Hình 8: Kết cấu nguyên lý mạch điều khiển

- Khối relay chấp hành: đóng mở cấp nguồn 12VDC.

- Khối chuyển đổi nguồn: chuyển đổi điện áp từ 12VDC sang điện áp 5VDC cho khối vi điều khiển và 4VDC cho khối giao tiếp GSM hoạt động.

- Khối vi điều khiển: kiểm tra nội dung tin nhắn điều khiển từ người sử dụng và ra lệnh tương ứng bật/tắt đến khối relay chấp hành.

- Khối giao tiếp GSM: truyền nhận tin nhắn SMS.

- Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển: Thiết bị sử dụng một vi xử lý có thể lập trình để giao tiếp qua mạng GSM để điều khiển từ xa. Khi thiết bị được cấp nguồn 12VDC, khối chuyển đổi nguồn sẽ tạo hai mức nguồn điện áp 5VDC cấp cho vi điều khiển và cấp 4VDC cho khối giao tiếp GMS khởi động. Sau quá trình khởi động, vi điều khiển gửi các cấu hình bản tin đến khối GSM và sẵn sàng nhận tin nhắn. Đồng thời vi điều khiển sẽ kiểm tra lại trạng thái điều khiển đã nhận trước đó để đóng hoặc mở relay. Khi có tin nhắn được gửi đến thuê bao lắp trong khối GSM. Khối này sẽ chuyển gói tin nhắn đến cho vi điều khiển phân tích bản tin. Nếu gói bản tin là đúng định dạng ra lệnh điều khiển, vi điều khiển sẽ thực hiện lệnh điều khiển bật/tắt khối relay theo lệnh trong gói bản tin. Một chu trình thực hiện điều khiển được thực hiện theo sơ đồ hình 9. Chu trình này sẽ được thực hiện lặp đi lặp lại liên tục.

Hình 9: Chu trình hoạt động của thiết bị

Lựa chọn nguyên lý mạch cao áp: Qua nghiên cứu cho thấy, hiện nay phổ biến có hai phương pháp thiết kế mạch cao áp trong thực tế: phương pháp tạo cao áp bằng biến áp và phương pháp tạo cao áp bằng mạch nhân áp. 

- Phương pháp tạo cao áp bằng biến áp (Transformer-Based High Voltage Generation): Sử dụng một biến áp tăng áp kết hợp với mạch tạo dao động để chuyển đổi điện áp thấp đầu vào thành điện áp cao đầu ra. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến áp cũng như tần số của tín hiệu dao động điều khiển. Phương pháp này có ưu điểm là cấu trúc mạch tương đối đơn giản, dễ tích hợp và có thể thiết kế với kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, biến áp có tỷ số biến áp lớn theo yêu cầu thường phải đặt hàng riêng, gây khó khăn trong chế tạo nếu số lượng nhỏ hoặc yêu cầu đặc biệt. Ngoài ra, do công suất mạch lớn và điện áp đầu ra cao, các rủi ro về an toàn điện tăng lên đáng kể, đòi hỏi cần có các biện pháp cách điện, bảo vệ và kiểm soát nghiêm ngặt trong thiết kế và vận hành.

- Phương pháp tạo cao áp bằng nhân áp: Mạch nhân áp (Voltage Multiplier Circuit) là một dạng mạch chỉnh lưu kết hợp với các tụ điện và diode, được thiết kế để tạo ra điện áp một chiều có giá trị cao gấp nhiều lần biên độ điện áp xoay chiều đầu vào. Đây là phương pháp hiệu quả để tạo nguồn điện áp cao trong các ứng dụng yêu cầu dòng điện thấp, chẳng hạn như trong ống tia điện tử (CRT), thiết bị ion hóa hoặc máy phát tia X. Ưu điểm của mạch nhân áp là cấu trúc đơn giản, sử dụng linh kiện phổ thông, hoạt động hiệu quả ở công suất thấp và mức độ an toàn cao hơn so với các phương pháp tăng áp sử dụng biến áp. Tuy nhiên, khi cần tạo ra điện áp rất cao, mạch có xu hướng trở nên cồng kềnh do số tầng nhân áp tăng lên, đòi hỏi không gian lắp đặt lớn và dễ gặp hiện tượng rò điện hoặc sụt áp do tổn hao.

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý mạch cao áp sử dụng biến áp

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý mạch cao áp bằng nhân áp

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của hai phương pháp tạo điện áp cao nêu trên, phương án thiết kế được lựa chọn là sự kết hợp giữa ưu điểm nhỏ gọn của mạch cao áp sử dụng biến áp và tính linh hoạt trong điều chỉnh điện áp đầu ra cùng mức công suất thấp – đảm bảo an toàn – của mạch nhân áp sử dụng diode và tụ điện. Cấu trúc tổng thể của hệ thống bao gồm ba khối chức năng chính: (1) mạch tạo dao động tần số cao để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cao tần; (2) biến áp tăng áp kết hợp với mạch nhân áp nhiều tầng (chỉnh lưu – lọc) nhằm tạo ra điện áp cao theo yêu cầu; và (3) lưới điện cao thế đóng vai trò truyền dẫn và phân phối điện áp đầu ra đến tải.

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý tổng thể khối cao áp

Nguyên lý tạo điện cao áp như sau: Khi cấp nguồn, bộ dao động tần số cao bao gồm transistor và biến áp tần số cao được cấp điện để biến dòng điện một chiều 12V thành dòng điện xoay chiều tần số cao. Điện áp này được tăng lên khoảng 220V bởi các biến áp phổ biến, và sau đó điện áp đầu ra tiếp tục được khuếch đại lên đến hàng kilovolt nhờ mạch nhân áp dùng tụ điện và diode. Điện áp cao hàng kV được đưa vào lưới kim loại của thiết bị. Khi côn trùng va vào lưới kim loại, nó sẽ gây phóng điện giữa các bản cực của lưới điện gây choáng hoặc giết chết côn trùng.

Với cấu trúc mạch đã lựa chọn, hệ thống sử dụng một biến áp tăng áp có điện áp đầu ra 220/380 VAC được cấp nguồn từ điện áp một chiều 12 VDC thông qua mạch dao động. Để đạt được điện áp đầu ra 5 kV, mạch nhân áp được triển khai với hệ số nhân từ 12 đến 20 lần, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu số tầng nhân áp so với phương án nhân áp trực tiếp từ 12 VDC, vốn sẽ đòi hỏi hệ số nhân lên tới khoảng 420 lần. Cách tiếp cận này cho phép giảm kích thước mạch, hạn chế tổn hao và nâng cao độ ổn định của điện áp đầu ra.

Chế độ hoạt động của mạch này là xung với tần số vài chục kHz nên các diode sử dụng đều là diode “xung”. Các tụ cũng là tụ với điện áp chịu cao. Việc lựa chọn loại tụ điện và diode cũng cần thiết cho độ hoạt động ổn định của thiết bị. Điện thế ở mỗi nút nhân (gồm Diode và tụ) phải chọn trị số có điện thế nghịch cao hơn. Ở đây, ta nên lựa chọn diode có khả năng chịu được điện áp tối thiểu 400V. Trị số điện dung cho tụ sẽ từ vài ngàn pF đến vài chục ngàn pF cũng như điện thế làm việc của tụ cao hơn điện thế thực tế có tại tụ đó. Tụ cuối cùng nên có điện dung cao hơn vài lần những tụ trước để có được sự ổn định và hiệu quả tốt. Giá trị của điện dung cũng là yếu tố quan trọng đến khả năng phóng tia lửa điện của thiết bị. Với giá trị điện dung thấp, năng lượng điện tích tụ thấp nên khả năng phóng điện sẽ nhanh nhưng tia lửa sẽ yếu. Với điện dung cao, năng lượng tích tụ cao nên khả năng phóng lửa mạnh, tia lửa lớn nhưng thời gian nạp lại sẽ lâu, thời gian ngắt quãng giữa các lần đánh lửa liên tục sẽ dài hơn. Để đảm bảo được yêu cầu về thời gian đánh lửa cũng như độ mạnh của tia lửa, giá trị của điện dung nên được thử nghiệm để đạt yêu cầu. Qua quá trình thử nghiệm, tụ điện có điện dung 10.000pF được lựa chọn với khả năng đánh lửa gần như liên tục và tia lửa to. Điện cao áp đưa ra lưới đánh lửa đạt gần 5kV và có thể điều chỉnh các mức điện áp ra khác nhau.

3.2. Thiết kế mạch và Chương trình điều khiển

- Thiết kế sơ đồ và mạch in mạch điều khiển:

Hệ thống mạch điều khiển cho thiết bị quang năng phòng trừ côn trùng gây hại nông nghiệp đã được thiết kế và mô phỏng thành công bằng phần mềm Altium Designer. Hệ thống bao gồm ba khối chức năng chính: mạch điều khiển đèn UV, mạch điều khiển từ xa qua sóng GSM và mạch tạo điện áp cao phục vụ tiêu diệt côn trùng.

Mạch điều khiển đèn UV sử dụng vi điều khiển STM32F103 để bật/tắt đèn theo thời gian định sẵn hoặc tín hiệu cảm biến. Mạch công suất sử dụng MOSFET giúp chuyển mạch hiệu quả và đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện ngoài trời. Quá trình mô phỏng trên Altium Designer đã xác minh độ tin cậy nhiệt và chất lượng tín hiệu của mạch.

Mạch điều khiển từ xa qua sóng GSM sử dụng module SIM800L được tích hợp trên bo mạch chính, cho phép điều khiển hai chiều và báo cáo trạng thái qua tin nhắn SMS. Vi điều khiển sẽ xử lý và phân tích lệnh điều khiển từ xa để bật/tắt thiết bị, theo dõi điện áp pin và điều chỉnh thông số hoạt động. Bố trí mạch in (PCB) được tối ưu hóa nhằm giảm nhiễu điện từ (EMI), đồng thời vị trí anten được thiết kế đảm bảo thu tín hiệu tốt nhất.

Để tạo mức điện áp cao đầu ra, mạch được thiết kế theo nguyên lý bộ chuyển đổi DC-DC Boost, cho phép nâng điện áp đầu vào từ nguồn DC 12V  lên mức cần thiết trước khi đưa vào giai đoạn nhân áp để tiêu diệt côn trùng. Các thông số cuộn dây, tần số đóng cắt và linh kiện công suất được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hồ quang ổn định và an toàn. Các linh kiện bảo vệ như diode TVS và khe hở cách ly được bố trí phù hợp với tiêu chuẩn an toàn điện.

Sau quá trình nghiên cứu thiết kế đã tạo được thiết bị quang năng phòng trừ côn trùng gây hại nông lâm nghiệp với mạch điều khiển và mạch cao áp như sau: Bo mạch điện tử của thiết bị được được thiết kế trên phần mềm Altium Designed, bao gồm thiết kế sơ đồ nguyên lý và bo mạch in.

Hình 13: Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 14: sơ đồ mạch in mạch điều khiển

Hình 15: Sơ đồ nguyên lý mạch cao áp

Hình 16: Sơ đồ mạch in mạch cao áp

- Thiết kế Chương trình điều khiển mạch: Chương trình điều khiển toàn bộ hệ thống được xây dựng trên Arduino IDE, sử dụng ngôn ngữ C/C++ và các thư viện tiêu chuẩn như SoftwareSerial, TimerOne, EEPROM, và LowPower. Các chức năng chính bao gồm:

• Tự động điều khiển đèn UV: Vi điều khiển đọc tín hiệu từ cảm biến LDR qua chân analog, nếu giá trị dưới ngưỡng ánh sáng định sẵn, đèn sẽ được kích hoạt. Ngoài ra, người dùng có thể lập trình chế độ hẹn giờ (on/off) theo thời gian thực bằng module RTC DS3231.

Chương trình được tối ưu về dung lượng bộ nhớ, với kích thước mã sau biên dịch khoảng 32 KB, chiếm dưới 50% bộ nhớ flash của STM32F103. Hệ thống cũng được tích hợp cơ chế watchdog để tự khởi động lại khi phát hiện treo lệnh hoặc lỗi giao tiếp.

Kết quả kiểm thử mô phỏng trên Arduino IDE kết hợp Proteus cho thấy chương trình hoạt động ổn định, phản hồi đúng chức năng điều khiển và giám sát theo yêu cầu đặt ra. Giao tiếp GSM đạt độ trễ thấp (2–3 giây), PWM điều khiển mạch cao áp không gây nhiễu tới các module khác trong hệ thống.

3.3. Thiết kế hệ thống sạc điện cho thiết bị quang năng từ pin năng lượng mặt trời

Do đặc thù ngành lâm nghiệp thường nằm xa khu dân cư và khó tiếp cận điện lưới, việc thiết kế trạm điện nhỏ sử dụng pin năng lượng mặt trời là cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu điện tại chỗ, cấp nguồn cho thiết bị dân dụng và thiết bị quang năng. Để nâng cao hiệu suất và giảm kích thước hệ thống, các tấm pin được thiết kế có thể điều chỉnh góc nghiêng theo hướng quay của mặt trời.

3.3.1. Thiết bị tạo điện NLMT

Cấu trúc bộ khung của thiết bị tạo điện NLMT cải tiến đã được xác lập như hình 18:

- Khung ngoài: được lắp đặt trên mặt nền sân, vườn được điều chỉnh thăng bằng và có thể dịch chuyển để tránh mặt các tấm pin bị che nắng trong ngày.

- Khung giữa: liên kết với khung ngoài bằng trục quay theo phương Đông - Tây, quay được xung quanh trục này góc β = 0^o ÷ (-47^o) và chia thành 06 mức đều nhau, góc giữa các mức là 7^o50’. Các vị trí mức quay của khung giữa được định vị bằng các lỗ trên thanh cung tròn bằng thép hàn trên khung ngoài và đồng tâm với trục quay của khung giữa. Cố định khung giữa ở các vị trí mức tương ứng các tháng trong năm (tháng 12 → 6 và ngược lại tháng 6 → 12) bằng các chốt khóa liên kết tai khóa trên khung giữa với thanh cung tại các lỗ này. Vào thời điểm 22/6, khung giữa phải được chốt khóa ở mức tương ứng góc giữa mặt khung giữa với phương nằm ngang bằng 2 lần góc vĩ độ nơi lắp đặt thiết bị.

- Khung trong lắp tấm pin mặt trời, liên kết với khung giữa bằng trục theo phương Bắc – Nam, quay được quanh trục góc α = 150^o (từ -75^o → 0 → +75^o đối xứng 2 bên mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục quay) nếu điều chỉnh quay khung giữa từ 7 giờ - 17 giờ trong ngày nắng nóng mùa hè, trong đó góc (-75^o) tương ứng lúc 7 giờ 00, 0^o tương ứng 12 giờ 00, (+75^o) tương ứng 17 giờ 00; hoặc chỉ quay với góc α = 120^o từ -60^o → 0 → +60^o tương ứng từ 8 giờ - 16 giờ trong ngày nắng khô mùa đông.

Các mức góc quay để định vị trục quay trên cơ cấu khóa là 7^o30’ nếu 30 phút quay khung trong đi 1 mức hoặc 15^o nếu 60 phút mới quay khung. Định vị trục khung trong so với khung giữa ở các mức bằng các chốt khóa cơ học liên kết khung giữa với đĩa thép được hàn trên trục khung trong. Đĩa này có các lỗ định vị đồng tâm với trục này. Các chốt khóa được mở ra trước khi quay trục khung trong và tự đóng lại bằng bộ phận đàn hồi mỗi khi trục quay đến vị trí giới hạn tương ứng với các mức. Nguyên tắc hệ thống điều khiển quay khung trong được mô tả trên hình 18. Mở các chốt khóa khung trong bằng rơ le điện đồng thời với điều khiển động cơ điện làm quay trục khung; điều khiển động cơ điện và rơ le điện bằng rơ le tự động hẹn giờ, sau 30 hoặc 60 phút rơ le lại đóng mạch điện một lần. Khi khung trong quay đến một mức mới, rơ le cắt điện ngừng động cơ và chốt khóa tự đóng lại vào lỗ trên đĩa bằng cơ cấu đàn hồi. Khi không sử dụng động cơ điện có thể mở khóa và quay khung bằng tay.

Bộ nạp điện NLMT được thiết kế làm việc đồng bộ với thiết bị tạo điện NLMT cải tiến, nạp điện trực tiếp cho các ắc quy trong bẫy đèn hoặc các ắc quy tháo rời thông qua các ổ điện và dây dẫn có các đầu cắm chuyên dụng để tránh ngược cực ắc quy. Bộ nạp điện NLMT biến đổi dòng điện 1 chiều tạo ra từ tấm pin mặt trời (có điện áp hở mạch < 49 ÷ 50 VDC) thành điện áp 12 VDC, mức dao động phù hợp nạp điện các ắc quy. Cấu trúc gồm 4 bộ phận chính sử dụng toàn bộ mạch bán dẫn và được thiết kế, chế tạo hoàn toàn trong nước.

Bộ nạp điện NLMT được thiết kế 3 kênh độc lập, mỗi kênh kết nối với 01 tấm pin mặt trời, cho phép cường dòng điện trong mạch nạp tối đa 20A, điện áp nạp định mức 12V (tương ứng tổng dung lượng ắc quy 150 ÷ 180 Ah). Khi các tấm pin mặt trời cùng loại và có các thông số kỹ thuật hoạt động như nhau có thể kết nối 3 kênh để nạp điện cho phụ tải có dung lượng lớn bằng 2,5 ÷ 2,7 lần tổng dung lượng điện ắc quy cho phép của 3 kênh nạp.

3.3.3. Nguyên tắc hoạt động của bộ thiết bị tạo và nạp điện NLMT

Nguyên tắc vận hành: Lắp đặt thiết bị tạo điện NLMT cải tiến trên nền sân, vườn phải đảm bảo thăng bằng khung ngoài, các trục khung giữa và khung trong theo đúng phương Đông – Tây và Bắc - Nam. Kết nối bộ nạp điện NLMT, hệ thống điện điều khiển và các phụ tải với tấm pin mặt trời theo sơ đồ hình 21, trong đó các phụ tải là ắc quy độc lập hoặc đã lắp trong bẫy đèn phải đúng điện áp ắc quy (12V), lắp đúng cực (+) và (-) và công suất tiêu thụ của mạch nạp không vượt quá quy định. Trước khi vận hành phải kiểm tra vị trí của khung giữa và cơ cấu khóa, nếu không đúng mức tương ứng với tháng hiện tại (ghi trên thanh cung định vị) cần mở khóa khung giữa với khung ngoài và quay khung giữa đến mức quy định rồi đóng khóa. Vị trí này không thay đổi cho đến ngày quy định quay khung giữa ở tháng tiếp theo. Tiếp theo, mở khóa định vị trục khung trong bằng cơ cấu đóng mở bằng tay và quay khung trong đến vị trí mức tương ứng với giờ hiện tại và đóng khóa. Cài đặt chế độ điều khiển quay khung trong trên rơle tự động hẹn giờ với thời gian ngừng (cắt mạch điện) giữa 2 mức định vị khung trong liền kề nhau là 30 phút hoặc 60 phút tùy theo cấu trúc cơ cấu khóa trục khung trong đã được chế tạo. Bật công tắc điện cấp nguồn điện từ ắc quy (1) trong mạch nạp để hệ thống bắt đầu hoạt động.

Nguyên lý làm việc: Các cell trên tấm pin (8) hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời chuyển thành điện năng tạo điện áp giữa hai điện cực của tấm pin là điện một chiều <49V. Điện áp này theo dây cáp điện chuyên dụng dẫn về aptomat (9) và về khối đầu vào và bảo vệ của bộ nạp điện NLMT (10). Khối này kiểm soát điện áp đầu vào và nhận dạng có phụ tải (10) hoặc (11) được kết nối trong mạch nạp không. Nếu điện áp đầu ra từ tấm pin trong mạch kín đạt trong mức (5 ÷ 42)VDC và các ắc quy được kết nối đúng cực (+) và (-), khối này mở khóa và nối mạch dẫn điện từ tấm pin tới khối điều khiển điện áp của bộ nạp điện NLMT. Khối điều khiển điện áp điều chỉnh điện áp đầu vào từ tấm pin thành điện áp chuẩn 12,6 VDC (dao động 11,2 ÷ 14 V tùy thuộc điện áp đầu vào) và đưa về khối điều khiển nạp/ngắt. Khối này đóng mạch điện dẫn tới ổ cắm nạp điện cho ắc quy khi điện áp ắc quy dưới 11 V và cắt mạch khi ắc quy đã đầy (điện áp đạt 12,6 ÷ 12,7 V). Khi quá trình nạp điện diễn ra, đèn cảnh báo nạp điện sẽ sáng và các đồng hồ Vol – Ampe trên bộ nạp điện NLMT hiển thị điện áp nạp và cường độ dòng điện trong mạch nạp. Căn cứ giới hạn cường độ dòng điện nạp ắc quy để thay đổi số phụ tải trong mạch nạp.

3.3.4. Khảo nghiệm đánh giá khả năng nạp điện ắc quy của bộ nạp điện NLMT

Các thí nghiệm được thực hiện trong thời gian 7 giờ 30 ÷ 17 giờ ngày nắng nóng mùa hè (23 ÷ 25/7/2023) và 8 ÷ 16 giờ ngày nắng khô mùa đông (26 ÷ 28/11/2023) theo phương pháp đã trình bày tại mục 2.3.2. Các phụ tải (ắc quy trong thiết bị quang năng (TBQN) và ắc quy độc lập) đã phóng điện đến giới hạn khoảng 10,5 ÷ 11,0 V và được kết nối vào mạch nạp điện NLMT theo sơ đồ hình 21. Các công tắc được sử dụng ngắt các phụ tải ra khỏi mạch nạp khi điện áp nạp vượt 14,0 V và tổng cường độ dòng điện trong mạch nạp quá mức cho phép (20A) theo thiết kế bộ nạp điện NLMT. Điện áp và cường độ dòng điện trong mạch nạp được hiển thị trên Vol – Ampe kế. Kết quả thí nghiệm tại bảng 3 và 4 cho thấy: Trong ngày nắng nóng mùa hè ngay từ 7 giờ 30 ÷ 8 giờ, mỗi tấm pin Canadian 550 W trên bộ nạp điện NLMT đã cấp đủ điện để nạp điện cho một TBQN, điện áp nạp từ 13,5 ÷ 13,8 V, cường độ dòng điện nạp (4,2 ÷ 4,7) A, độ ổn định dòng nạp đạt > 80%.

Để đảm bảo nạp đầy TBQN (có tổng dung lượng ắc quy 30 Ah) đúng yêu cầu kỹ thuật, và hoàn thành trước 16 giờ chiều kịp đưa vào hiện trường bẫy diệt côn trùng cần thời gian nạp điện tối thiểu 6 ÷ 8 giờ, cường độ dòng điện nạp trung bình 4,5A/(1 TBQN). Theo kết quả bảng 3, bộ thiết bị tạo và nạp điện NLMT cải tiến cho phép nạp 01 bộ TBQN (hoặc 01 ắc quy 12V/30 Ah) ngay từ 7 giờ 30’, 02 bộ TBQN từ 8 giờ, 03 TBQN từ 8 giờ 30’, 04 TBQN từ 9 giờ 10’ với độ ổn định dòng nạp từ 88 ÷ 90 %. Điện năng tạo ra từ tấm pin ngoài việc nạp điện cho các TBQN (11) còn nạp điện cho ắc quy trữ điện (1) của hệ thống điều khiển làm quay khung lắp tấm pin mặt trời (sơ đồ kết nối mạch điện hình 21). Do vậy cần căn cứ tình trạng thời tiết để tính toán số lượng phụ tải kết nối trong mạch nạp đảm bảo nạp điện các TBQN được liên tục đến khi no điện và kịp thời gian chuyển đến hiện trường bẫy diệt côn trùng. Sử dụng được trang thiết bị khác của Trạm Quản lý Bảo vệ rừng hoặc Trạm Bảo vệ thực vật khi các phụ tải này được kết nối với bộ nạp điện NLMT hoặc ắc quy trữ điện thông qua bộ nghịch lưu (2) chuyển đổi điện 12VDC → 220 VAC).

* Trong ngày nắng khô mùa đông: Từ 8 ÷ 9 giờ, cho phép nạp điện 01 TBQN song cường độ dòng nạp thay đổi lớn 4,0 ÷ 4,9 A, độ ổn định dòng nạp 81,6%. Từ 9 ÷ 16 giờ, cho phép nạp 02 TBQN, cường độ dòng nạp ở mỗi TBQN từ 4,0 ÷ 4,6 A, độ ổn định đạt trung bình 91,3÷ 95,7%. Trong thời gian từ 10 ÷ 15 giờ 30 cho phép nạp 03 TBQN, độ ổn định dòng nạp rất cao (93,3 ÷ 100%). Tuy nhiên để đảm bảo nạp đầy ắc quy kịp đưa Bẫy đèn vào hiện trường chỉ nên kết nối 02 bộ bẫy đèn trong mỗi mạch nạp từ 9 giờ. Tận dụng điện NLMT do không sử dụng hết cho nạp TBQN để tích điện cho ắc quy trữ điện và phụ tải khác theo phương án nêu trên.

Bảng 4. Khả năng nạp điện của bộ thiết bị nạp điện NLMT trong ngày nắng mùa đông

4. KẾT LUẬN

Nghiên cứu đã trình bày thành công quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh cho thiết bị quang năng phòng trừ côn trùng, giải quyết hiệu quả bài toán năng lượng và điều khiển tự động cho các ứng dụng nông lâm nghiệp ở những khu vực không có điện lưới. Các kết quả chính của bài báo được tổng kết như sau:

1. Đã thiết kế, chế tạo và kiểm chứng thành công mạch điều khiển thông minh cho thiết bị quang năng. Mạch điều khiển tích hợp ba khối chức năng chính: điều khiển đèn UV, điều khiển từ xa qua sóng GSM và mạch tạo điện áp cao (đến 5kV) để tiêu diệt côn trùng. Toàn bộ hệ thống được thiết kế trên phần mềm Altium Designer và lập trình bằng Arduino IDE, cho kết quả hoạt động ổn định, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đặt ra.

2. Đã phát triển một bộ thiết bị tạo và nạp điện từ năng lượng mặt trời (NLMT) có tính đổi mới, với kết cấu khung quay cho phép điều chỉnh hướng tấm pin theo cả giờ trong ngày và tháng trong năm. Thiết kế này đã chứng tỏ hiệu quả vượt trội trong việc tối ưu hóa khả năng hấp thụ năng lượng, cho phép hệ thống nạp điện cho ắc quy ngay cả trong thời điểm cường độ nắng yếu như đầu buổi sáng và cuối buổi chiều, điều mà các hệ thống cố định khó đạt được.

3. Kết quả khảo nghiệm thực tế đã xác định hiệu suất và tính khả thi của hệ thống. Bộ nạp điện NLMT có khả năng nạp đồng thời cho nhiều thiết bị (4- 5 thiết bị vào mùa hè) với dòng nạp ổn định, đảm bảo các ắc quy được nạp đầy kịp thời để đưa vào sử dụng tại hiện trường.

Nghiên cứu đã xây dựng được một giải pháp toàn diện, tự chủ về năng lượng, có tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của thiết bị quang năng. Hệ thống này không chỉ góp phần giảm thiểu việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật mà còn thúc đẩy việc ứng dụng năng lượng tái tạo và công nghệ tự động hóa trong sản xuất nông lâm nghiệp bền vững.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Lê Xuân Phúc và ctv (2024). Nghiên cứu cải tiến thiết bị bẫy đèn diệt công trùng gây hại cây trồng nông lâm nghiệp có hiệu quả cao và sử dụng điện năng lượng mặt trời. Báo cáo tổng kết đề tài.

2. Lê Xuân Phúc, Đào Ngọc Quang, Cao Chí Công (2023). Bẫy đèn đa tính năng phòng trừ côn trùng gây hại cây trồng nông lâm nghiệp. Tạp chí Khoa học Lâm nghiệp, số 6, 148-162.

3. Nguyễn Văn Đĩnh, Hà Quang Hùng, Nguyễn Thị Thu Cúc, Phạm Văn Lầm (2012). Côn trùng và động vật hại nông nghiệp Việt Nam. Nhà xuất bản Nông nghiêp.

4. Bùi Đình Đức, Bùi Văn Bắc (2013). Nghiên cứu đề xuất biện pháp vật lý, cơ giới trong phòng trừ Sâu róm 4 túm lông (Dasychira axutha Coliennette) hại Thông mã vĩ tại Lộc Bình, Lạng Sơn. Tạp chí Quản lý Tài nguyên rừng và Môi trường, số 3, tr 46-52.

5. Nguyễn Thị Nhung (2002). Nghiên cứu sâu hại nhóm cây đậu ăn quả (đậu đũa, đậu trạch, đậu bở, đậu cô ve) và biện pháp phòng trừ chúng ở vùng chuyên canh rau ngoại thành Hà Nội và phụ cận. Luận án tiến sĩ nông nghiệp.

6. Lê Xuân Phúc, Đào Ngọc Quang (2019). Nghiên cứu cải tiến bẫy đèn phòng trừ sâu róm thông và sâu róm 4 túm lông hại thông nhựa và thông mã vĩ. Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số 22, 48-57.

7. Phạm Đăng Quốc và cộng sự (2010). Nghiên cứu cải tiến đèn bẫy bướm phòng trừ sâu Róm thông. Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ Lâm nghiệp khu vực phía Bắc, tr 631-641.

8. NASA (2003) Suface meteorology and Solar Energy: Methodology, NASA Tech. Note. Langley ASDC.

9. Vignola, F, Mc Daniel, D. K (1984), “Transfermation of Direct Solar Radiation to Tilted Surface”, Proceedings of the 1984 Annual Meeting of the Americal Solar Energy Society, Inc. Anaheim, CA, pp. 651 – 655.

Ngày nhận bài: 25/6/2025