Việc sử dụng nhiên liệu truyền thống như than đá và dầu khí gây tác động tiêu cực đến môi trường, làm tăng khí thải, suy thoái không khí và thúc đẩy biến đổi khí hậu (Pamuk, 2023; Ritchie & Max, 2020; Kang et al., 2020; Ucal & Xydis, 2020). Năng lượng tái tạo, với khả năng tái tạo vô hạn và ít phát thải CO2, trở thành giải pháp quan trọng để giảm hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm. Theo IRENA (2024), sử dụng năng lượng tái tạo toàn cầu tăng 13,9% trong 2023, cung cấp khoảng 130.000 TWh năng lượng mỗi năm (IRENA, 2020), giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và hỗ trợ phát triển bền vững.
Năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm nhờ vai trò quan trọng trong mục tiêu đạt phát thải ròng bằng 0 và thúc đẩy phát triển bền vững dài hạn (Sun, 2024; Ali & Alabid, 2022). Nhiều quốc gia đã xây dựng chiến lược phát triển năng lượng mặt trời để đảm bảo nguồn cung năng lượng sạch, ổn định. Tuy nhiên, hiệu suất tấm pin quang điện (PV) bị hạn chế do vị trí cố định (Amelia et al., 2020). Hệ thống theo dõi mặt trời gồm trục đơn và trục kép, được phát triển để tăng hiệu suất thu năng lượng (Awasthi et al., 2020; Lamoureux et al., 2015). Poulek và Libra (2000) đã đề xuất hệ thống trục đơn dùng động cơ DC, trong khi Abdallah and Nijmeh (2004) phát triển hệ thống trục kép với bộ điều khiển PLC. Laseinde and Remere (2019) cải tiến hệ thống trục kép bằng thuật toán theo dõi điểm công suất tối đa trên Arduino, tăng hiệu suất và tiết kiệm không gian. Chaowanan et al. (2020) sử dụng bộ điều khiển vòng kín với Arduino Mega 2560, tối ưu hóa hiệu suất và chi phí. Kết quả các nghiên cứu này nâng cao hiệu quả, giảm chi phí và tăng tính ổn định, đưa công nghệ theo dõi mặt trời thành giải pháp quan trọng trong năng lượng tái tạo. Kết quả ở một số nghiên cứu đạt được hiệu suất tăng từ 20% đến 30% so với hệ thống cố định (Ali & Alabid, 2022).
Các nghiên cứu trước đây khi được thực hiện nhằm tìm hiểu về hệ thống theo dõi mặt trời trục đơn và trục kép chưa tập trung vào giải pháp chi phí thấp và điều kiện khí hậu miền Tây Nam Bộ. Trong bài báo này, tính mới nằm ở hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời trục kép chi phí thấp, sử dụng vi xử lý Arduino Uno R3 kết hợp cảm biến quang điện trở để tối ưu hóa thu nhận năng lượng. Hệ thống được thiết kế để liên tục theo dõi vị trí mặt trời, điều chỉnh tấm pin đến hướng nhận được tối đa bức xạ mặt trời, với khảo sát thực hiện tại Đại học Cần Thơ.
Trong nghiên cứu này, hệ thống theo dõi mặt trời trục kép đã được thiết kế, tập trung đo lường công suất thu được và so sánh với hệ thống pin mặt trời cố định, nhằm đánh giá hiệu suất và cung cấp dữ liệu khoa học cho việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo tại khu vực khảo sát, định hướng cho các nghiên cứu và ứng dụng tương lai.
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm tập trung vào quá trình thiết kế hệ thống theo dõi mặt trời trục kép dựa trên điều khiển bằng Arduino Uno R3, từ mô hình đó tiến hành thực nghiệm bằng cách đo đạc công suất thực tế của hệ thống tại Ninh Kiều, Cần Thơ cũng như so sánh nó với hiệu suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời cố định truyền thống ở các công trình nghiên cứu trong quá khứ. Với những mục tiêu như trên, một số phương pháp đã được sử dụng để tiến hành nghiên cứu đề tài với phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp mô hình thực nghiệm.
Trong nghiên cứu này, việc thiết kế, phát triển và thử nghiệm một hệ thống theo dõi mặt trời trục kép chi phí thấp đã được thực hiện, vi điều khiển Arduino Uno R3 được sử dụng kết hợp với cảm biến quang trở, nhằm tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng mặt trời tại quận Ninh Kiều, Thành phố Cần Thơ. Kết quả thực nghiệm được tiến hành trong các ngày 27/04/2025, ngày 28/04/2025 và ngày 04/05/2025 cho thấy hệ thống trục kép mang lại hiệu suất vượt trội so với hệ thống pin mặt trời cố định. Cụ thể, công suất thu được từ hệ thống trục kép trung bình cao hơn 30% so với hệ thống cố định, với các mức chênh lệch đáng kể vào buổi sáng sớm và chiều muộn. Đỉnh điểm, vào lúc 16h ngày 27/04/2025, công suất chênh lệch đạt 138,67%, và vào 15h45 ngày 28/04/2025, con số này lên tới 181,25%. Những thời điểm này, góc chiếu của mặt Hệ thống nổi bật với việc sử dụng cảm biến quang trở chi phí thấp và vi điều khiển Arduino Uno R3, giúp giảm đáng kể chi phí chế tạo. Ngoài ra, việc bố trí bốn quang trở đa hướng và thuật toán điều khiển tinh chỉnh cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả, cung cấp dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho Khoa Kỹ thuật điện, Trường Bách Khoa, Đại học Cần Thơ.
Tóm lại, hệ thống theo dõi mặt trời trục kép được đề xuất mang lại giải pháp hiệu quả và kinh tế cho việc khai thác năng lượng mặt trời tại khu vực miền Tây Nam Bộ. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo và mở ra hướng đi cho các cải tiến tiếp theo, như tối ưu hóa chi phí và tích hợp công nghệ điều khiển thông minh hơn. |