Đánh giá hiệu suất của hệ thống Solar Tracking trục đơn sử dụng quang trở

cầu năng lượng tiêu thụ và góp phần 
kiểm soát biến đổi khí hậu (Mallick và nnk., 2014). Trong các nguồn năng lượng tái tạo 
như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều 
thì năng lượng mặt trời rất thuận lợi để khai thác ở nước ta bởi Việt Nam có mức độ bức 
xạ mặt trời cao, và những tiến bộ của công nghệ năng lượng mặt trời phát triển nhanh 
chóng đã giúp cho giá thành sản xuất ngày càng hợp lý hơn (Polo và nnk., 2015). 
Bởi vì trái đất luôn luôn quay xung quanh trục của mình, góc của ánh sáng mặt 
trời liên tục thay đổi, ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời chiếu lên giàn pin năng 
lượng. Để tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng từ mặt trời chúng ta cần có một hệ thống thiết 
bị giúp các tấm pin quang điện định hướng theo mặt trời gọi là hệ thống tracking năng 
lượng mặt trời (solar tracking). Hệ thống tracking năng lượng mặt trời bao gồm hệ 
thống lắp đặt theo dõi, tấm pin mặt trời và hệ thống điều khiển theo dõi. Cấu trúc gắn 
kết là cơ thể của hệ thống, và hệ thống điều khiển là bộ não của nó, điều khiển chuyển 
động của hệ thống giàn pin năng lượng mặt trời. 
Hiện đã có nhiều tác giả nghiên cứu về solar tracking. Lokhande và Mayank 
Kumar (2014) đã trình bày một hệ thống solar tracking tự động. Tác giả đã thiết kế một 
hệ thống theo dõi bảng năng lượng mặt trời dựa trên vi điều khiển và quan sát thấy rằng 
bộ solar tracking trục đơn tăng hiệu suất lên 30% so với cố định. Guiha Li, Runsheng, 
Tanf, Hao Zhong (2011) đã thực nghiệm hệ thống solar tracking trục đơn nằm ngang. 
Nghiên cứu đã thu được kết quả là hệ thống đặt theo hướng đông – tây hiệu suất năng 
lượng không cải thiện đáng kể còn hệ thống đặt theo hướng nam – bắc là tốt nhất. Hiệu 
quả tăng đối với trục đông tây là dưới 8% trong khi đối với trục nam – bắc tăng 10-24%. 
Chaiko và Rizk (2008) đã phát triển một hệ thống solar tracking một cách hiệu quả. 
Họ đã thiết kế một theo dõi trục đơn giản hệ thống sử dụng động cơ bước và cảm biến ánh 
sáng. Họ quan sát thấy rằng hệ thống này tăng hiệu quả của việc thu thập năng lượng bằng 
cách giữ một tấm pin mặt trời vuông góc với các tia mặt trời. Và họ cũng nhận thấy rằng 
mức tăng công suất đã tăng 30% so với hệ thống tĩnh. Imam Abadi, Adi Soeprijanto, Ali 
Musyafa (2015) đã thiết kế bộ solar tracking trục đơn dựa trên logic mờ và thực hiện trên vi 
điều khiển ATMEGA 8353 để cải thiện năng lượng của tấm pin. Nghiên cứu cho thấy hiệu 
suất của hệ thống solar tracking với điều khiển mờ tăng 47% so với hệ thống tĩnh. Ashwin, 
Joshuaral Immanue, Lalith Sharanvn, Ravi Prasad, Varun (2014) đã trình bày một bộ solar 
tracking trục đơn dựa trên cảm biến để đạt được mức năng lượng cao nhất. Hệ thống này tự 
động thay đổi theo hướng của để có được năng lượng ánh sáng tối đa. Do đó, kết quả thử 
nghiệm cho thấy sự mạnh mẽ và năng suất của phương pháp đề xuất. Năm 2013, Anusha, 
Chandra và Reddy đã thiết kế hệ thống solar tracking dựa trên đồng hồ thời gian thực. Họ 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
 53 
so sánh một hệ thống tĩnh và hệ thống thời gian thực sử dụng bộ xử lý ARM. Thí nghiệm đã 
chứng minh hệ thống mới hiệu quả hơn khoảng 40%. Hussain Akbar (2017) đã thiết kế 
một bộ solar tracking trục đơn bằng vi điều khiển AVR. Các kết quả cho thấy hệ thống solar 
tracking thiết kế đã cải thiện mức tăng công suất đầu ra 18-25% so với bảng tĩnh tại thành 
phố Kirkuk, Irắc. Năm 2016, Fathabadi thử nghiệm cho kết quả mức năng lượng thu được 
từ hệ thống solar tracking trục kép cao hơn hệ thống tĩnh từ 28,8% – 43,6% tùy theo mùa. 
Wang và Lu (2013) đã thực hiện một hệ thống solar tracking trục kép tại New Taipei City 
(Đài Loan). Các thí nghiệm cho thấy hệ thống của họ nâng mức năng lượng lên tới 28.31% 
cho một ngày nhiều mây. 
Trong nghiên cứu này, chúng tôi thiết kế, thi công hệ thống solar tracking trục 
đơn có kết cấu đơn giản, chi phí thấp mà vẫn đáp ứng yêu cầu tăng hiệu suất khai thác 
năng lượng bức xạ mặt trời. Hệ thống hoạt động tự động được điều khiển bởi vi điều 
khiển Arduino. Kết quả của nghiên cứu này cung cấp giải pháp sử dụng năng lượng mặt 
trời tối ưu, đồng thời cung cấp tài liệu nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời, hoặc 
phục vụ cho dạy học trong mô hình giáo dục STEM. Bài viết được tổ chức như sau: 
phần 2 trình bày về nguyên lý hoạt động của một hệ thống solar tracking; phần 3 trình 
bày về thiết kế phần cứng, phần mềm; phần 4 trình bày kết quả thử nghiệm, so sánh với 
hệ thống tĩnh; cuối cùng là kết luận. 
2. Cơ sở khoa học và phương pháp 
2.1. Hệ thống solar tracking 
Bởi vì trái đất luôn luôn 
quay xung quanh trục của 
mình, góc của ánh sáng mặt 
trời liên tục thay đổi, ảnh 
hưởng đến lượng bức xạ mặt 
trời chiếu lên giàn pin năng 
lượng (hình 1). Để tăng hiệu 
suất hấp thụ ánh sáng từ mặt 
trời chúng ta cần có một hệ 
thống thiết bị giúp các tấm 
pin quang điện định hướng 
theo mặt trời, được gọi là hệ 
thống solar tracking. 
 Hình 1. Đường đi của mặt trời tại thành phố Thủ Dầu Một 
 (Bình Dương, Việt Nam) 
Hệ thống solar tracking được tạo ra để tận dụng bức xạ mặt trời hiệu quả nhất có thể, 
tăng lượng bức xạ năng lượng đến giàn pin mặt trời vì thế năng lượng điện sản sinh ra sẽ 
nhiều hơn so với các cơ cấu cố định (Jovanovic, 2016). Một hệ thống theo dõi năng lượng 
mặt trời bao gồm ba thành phần: cơ cấu cơ khí, tấm pin mặt trời và hệ thống điều khiển. 
https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.057 
 54 
2.2 Các loại hệ thống solar tracking 
Hệ thống solar tracking đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển ứng dụng 
năng lượng mặt trời, nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống điện mặt trời. Theo cấu tạo 
cơ khí, hệ thống solar tracking có 2 loại: hệ thống trục đơn và trục kép (Reca-Cardeña, 
và López-Luque, 2018). Trong số này, trục kép thường được sử dụng vì nó cung cấp 
cao hơn độ chính xác và được biết đến để cải thiện năng lượng mặt trời bị bắt công suất 
so với bảng trục đơn (Jovanovic, 2016). Ngoài ra, còn có cách phân loại theo điều khiển 
thì có hệ thống tích cực và thụ động (Rizk and Chaiko, 2008). 
2.2.1 Solar tracking trục đơn 
Hệ thống solar tracking trục đơn sử 
dụng giá treo bảng PV nghiêng và một động 
cơ điện để di chuyển bảng trên quỹ đạo gần 
đúng so với vị trí của mặt trời. Trục xoay có 
thể là ngang, dọc hoặc nghiêng. Hình 2 cho 
thấy sơ đồ tổng quát của bộ theo dõi một 
trục hiển thị cả trục xoay (vectơ đơn vị e) và 
mặt phẳng collector (vectơ đơn vị bình 
thường đối với mặt phẳng collector). Góc 
giữa hai vectơ đơn vị này thường được giữ 
không đổi trong loại solar tracker này. 
(Reca-Cardeña và López-Luque, 2018). 
 Hình 2. Phương hướng của hệ thống 
 solar tracking trục đơn 
 2.2.2 Solar tracking trục kép 
Hệ thống solar tracking hai 
trục có thể đạt được mức thu năng 
lượng tối đa bởi vì, do hoàn toàn 
tự do di chuyển theo 2 phía nên có 
khả năng theo dõi mặt trời ở bất cứ 
nơi nào. (Reca-Cardeña và López- 
Luque, 2018). 
Hình 3. Phương hướng của hệ thống 
solar tracking trục kép 
3. Kết quả và thử nghiệm 
3.1 Giới thiệu cấu trúc hệ thống 
Thiết kế đề xuất của chúng tôi là hệ thống solar tracking trục đơn, hoạt động dựa 
trên vòng điều khiển có phản hồi. Hệ thống gồm có các điện trở quang đóng vai trò cảm 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
 55 
biến, động cơ servo, thiết bị truyền động, vi điều khiển Arduino. Toàn bộ hệ thống được 
chia thành hai phần chính: phần cứng và phần mềm. Các thiết bị chính được liệt kê ở 
bảng 1 và hệ thống có sơ đồ như hình 4. 
 Bảng 1. Danh sách các thiết bị 
Số TT Tên linh kiện Số lượng 
1 Arduino Uno R3 1 
2 MG996R Servo Motor 1 
3 Light Dependent Resistor 4 
4 Module LM2596 1 
5 Solar Panel 10 W 1 
6 Solar charge controller 1 
7 Battery 1 
8 DSN-VC288 DC 100V 10A Voltmeter Ammeter 1 
Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống 
3.2 Thiết kế phần cứng 
Hình 5, 6 mô tả cấu tạo 
của mô hình, gồm 2 thành 
phần chính: các bộ phận cố 
định và di động. Các bộ phận 
cố định là chân đế của hệ 
thống, khớp đi động được 
gắn với động cơ servo, được 
đặt phía trên để xoay tấm pin 
mặt trời theo hướng lên 
xuống. 
Hình 5. Cảm biến quang trở và động cơ servo 
https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.057 
 56 
Hình 6. Hệ thống mô hình solar tracking trục đơn 
3.3 Thiết kế phần mềm 
Hệ thống cảm biến bao gồm 4 quang trở (R1, R2, R3, R4) sẽ làm nhiệm vụ tiếp 
nhận ánh sáng từ nguồn sáng. Giữa 4 quang trở này sẽ có một vách ngăn hình chữ thập 
làm nhiệm vụ phân chia 4 cảm biến quang trở thành 4 hướng khác nhau riêng biệt. Vách 
ngăn này sẽ làm nhiệm vụ định hướng cho 4 quang trở luôn luôn hướng về phía có 
nguồn sáng mạnh nhất, cụ thể là mặt trời. Khi cụm cảm biến vuông góc với tia bức xạ 
của mặt trời, giá trị của 4 cảm biến sẽ bằng nhau. 
Tín hiệu từ cụm cảm biến sẽ được truyền trực tiếp về phần tử trung tâm điều khiển 
Arduino và chuyển thành tín hiệu số. Tại đây, Arduino sẽ so sánh trị trung bình của hai 
cảm biến quang trở liền kề với trung bình của hai cảm biến đối diện. 
A = (R1 + R2)/2 (1) 
B = (R3 + R4)/2 (2) 
Với R1, R2, R3, R4 lần lượt là giá trị điện trở của 4 điện trở quang LDR1, LDR2, 
LDR3, LDR4. Các giá trị này tương ứng nghịch đảo với giá trị điện áp chuyển về 
Arduino. 
Nếu A = B thì động cơ servo điều khiển trục X đứng yên. 
Nếu A > B, có nghĩa là ánh sáng tập trung ở bên R3, R4 nhiều hơn, động cơ servo 
xoay tấm pin hướng xuống cho đến khi ánh sáng vuông góc với tấm pin thì dừng lại. 
Nếu A < B, có nghĩa là ánh sáng tập trung ở bên R1, R2 nhiều hơn, động cơ servo 
xoay tấm pin hướng lên cho đến khi ánh sáng vuông góc với tấm pin thì dừng lại. 
Góc quay của các động cơ servo nằm trong giới hạn là 0 – 180 độ. 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
 57 
Hình 7. Lưu đồ chương trình 
3.4 Thử nghiệm 
Chúng tôi đã thực hiện thể nghiệm cho 2 hệ thống: tấm pin năng lượng mặt trời cố 
định, hệ thống solar tracking trục đơn. Thực nghiệm được thực hiện vào ngày 
12/12/2019, từ 6h30 đến 18h30, thời tiết nắng ấm, nhưng nhiều mây, tại địa điểm 
10°58'49.8"N 106°40'26.4"E. 
Bảng 2 là thống kê kết quả thử nghiệm cho 2 hệ thống, và kết quả này được vẽ 
thành đồ thị như hình 8. Kết quả thực nghiệm ở hệ thống tracking trục đơn tổng công 
suất thu được nhiều hơn 6,034W (9.622%) so hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời 
đứng yên. Như vậy, với việc sử dụng hệ thống tracking pin năng lượng mặt trời trục đơn 
sẽ có hiệu suất lớn hơn so với việc để tấm pin cố định. 
Qua hình 8 chúng ta thấy hiệu suất của hệ thống trục đơn tối ưu hơn so với hệ thống 
cố định. Đồ thị hạ xuống ở thời điểm 11h là do đám mây che kín, vào lúc 11h xuất hiện 
đám mây che ánh nắng mặt trời, do vậy công suất của tất cả 3 hệ thống đều giảm. 
https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.04.057 
 58 
Bảng 2. Dữ liệu thử nghiệm đánh giá hiệu suất năng lượng của hệ thống solar tracking 
Thời gian (h: mm) Tấm pin cố định (Watt) Hệ thống trục đơn (Watt) 
6:30 0 0 
7:00 0,16 0,16 
7:30 0,415 0,24 
8:00 0,765 0,32 
8:30 1,2 0,49 
9:00 4,6 5,04 
9:30 4,7 5,04 
10:00 6,3 7,27 
10:30 6,84 7,08 
11:00 1,58 1,69 
11:30 6,25 7,48 
12:00 6,25 7,48 
12:30 6 6,25 
13:00 6,8 7,12 
13:30 3,6 5,15 
14:00 1,8 1,89 
14:30 0,9 1,09 
15:00 1,26 1,13 
15:30 0,99 1,11 
16:00 0,8 0,91 
16:30 0,57 0,729 
17:00 0,45 0,49 
17:30 0,24 0,3 
18:00 0,236 0,29 
18:30 0 0 
Tổng 62.706 68.74 
Hình 8. Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống trục đơn và cố định 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(47)-2020 
 59 
4. Kết luận 
Để thu được tối đa năng lượng bức xạ mặt trời cần sử dụng hệ thống solar tracking. 
Nghiên cứu này đã thiết kế hệ thống solar tracking sử dụng quang trở, vi điều khiển 
Arduino, động cơ servo. Kết quả cho thấy hệ thống solar tracking đơn tối ưu hơn so với các 
hệ thống cố định, với hiệu suất vượt trội là 9.622%. Hệ thống solar tracking theo thiết kế 
này chi phí thấp, hiệu quả và dễ chế tạo. Hướng nghiên cứu tiếp theo là cải tiến phần cứng 
với hiển thị số liệu thời gian, điện áp, dòng điện, công suất qua màn hình LCD và xuất dữ 
liệu qua mạng wifi. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Rezvani, A., Gandomkar, M., Izadbakhsh, M., & Ahmadi, A. (2015). Environmental/ 
economic scheduling of a micro-grid with renewable energy resources. Journal of Cleaner 
Production, 87, 216-226. 
[2] T. C. Mallick, M. Saifuddin, B. Barua and K. M. Rahman (2014). “A design & 
implementation of a single axis solar tracker with diffuse reflector”. IEEE 9th International 
Forum on Strategic Technology (IFOST). Cox’s Bazar, Bangladesh, October 21-23. 
[3] Polo, J., Bernardos, A., Navarro, A. A., Fernandez-Peruchena, C. M., Ramírez, L., Guisado, M. 
V., & Martínez, S. (2015). Solar resources and power potential mapping in Vietnam using 
satellite-derived and GIS-based information. Energy Conversion and Management, 98, 348-358. 
[4] Lokhande, Mayank Kumar (2014). "Automatic solar tracking system". International Journal 
of Core Engineering and Management 1.7 (2014): 122-133. 
[5] Guiha Li, Runsheng Tanf, Hao Zhong (2011). “Optical Performance of Horizontal Single-Axis 
Tracked Solar Panels”. Solar Energy Research Institute Yunnan Normal University, China. 
[6] Rizk J. and Chaiko Y (2008). “Solar Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels”. 
World Academy of Science, Engineering and Technology. 
[7] Imam Abadi, Adi Soeprijanto, Ali Musyafa (2015). “Design of Single Axis Tracking 
System at Photovoltaic Panel Using Fuzzy Logic Controller”. Department of Engineering 
Physics and Electrical Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya. 
[8] Ashwin R, JoshuaraI Immanuel K, Lalith Sharavn C, Ravi Prasad P.S, Varun A.K (2014). 
“Design and Fabrication of Single Axis Solar Tracking System”. Journal of Mechanical and 
Production Engineering. 
[9] Anusha, K., and S. Chandra Mohan Reddy (2013). "Design and development of real time 
clock based efficient solar tracking system". International Journal of Engineering Research 
and Applications 3.1 (2013): 1219-1223. 
[10] Hussian S. Akbar, Muayyad N. Fathallah, Ozlim O. Raoof (2017). “Efficient Single Axis 
Tracker Design for Photovoltaic System Applications”. Physics Department, College of 
Science, Kirkuk University and Electronic Department, Kirkuk Technical College. 
[11] Fathabadi, H. (2016). Novel high accurate sensorless dual-axis solar tracking system 
controlled by maximum power point tracking unit of photovoltaic systems. Applied Energy, 
173, 448-459. 
[12] Wang, J. M., & Lu, C. L. (2013). Design and implementation of a sun tracker with a dual-axis 
single motor for an optical sensor-based photovoltaic system. Sensors, 13(3), 3157-3168. 
[13] Jovanovic, V. M., Ayala, O., Seek, M., & Marsillac, S. (2016, March). Single axis solar 
tracker actuator location analysis. In SoutheastCon 2016 (pp. 1-5). IEEE. 
[14] Reca-Cardeña, J., & López-Luque, R. (2018). Design Principles of Photovoltaic Irrigation 
Systems. In Advances in Renewable