Dự án STEM: Trạm năng lượng tái tạo kép bám hướng mặt trời và tua-bin gió (Vật lí 11 - Công nghệ 11)

1. Giới thiệu dự án và bối cảnh sư phạm

Trong xu hướng chuyển dịch năng lượng toàn cầu và mục tiêu giảm phát thải ròng (Net Zero), năng lượng tái tạo (quang năng, phong năng) giữ vai trò then chốt trong đời sống và sản xuất. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này có tính bất định cao: mặt trời chỉ có vào ban ngày và cường độ thay đổi theo góc chiếu, trong khi gió phụ thuộc nhiều vào thời tiết.

Dự án STEM "Trạm năng lượng tái tạo kép: Pin mặt trời tự bám hướng sáng và Tua-bin gió" được xây dựng cho học sinh cấp Trung học phổ thông (lớp 10 – 11), tích hợp kiến thức liên môn:

• Vật lí 10 & 11:
• Động năng, cơ năng và định luật bảo toàn năng lượng.
• Hiện tượng cảm ứng điện từ, từ thông biến thiên tạo ra suất điện động cảm ứng trong máy phát điện gió.
• Nguồn điện, hiệu điện thế, cường độ dòng điện và công suất điện.
• Công nghệ 11 (Công nghệ Điện - Điện tử):
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang trở (LDR), mạch cầu phân áp.
• Động cơ chấp hành (Servo motor) điều khiển góc quay chính xác.
• Thiết kế hệ thống tự động hóa điều khiển vòng kín.
• Tin học 10 & 11:
• Đọc tín hiệu Analog từ cảm biến thông qua bộ chuyển đổi ADC trên vi điều khiển.
• Lập trình thuật toán so sánh tín hiệu để điều khiển chuyển động bám hướng sáng (Solar Tracking Algorithm).
• Thu thập và trực quan hóa dữ liệu điện áp sinh ra theo thời gian thực.

Dự án gắn liền với danh mục thiết bị khung theo Thông tư 86/2026/TT-BGDĐT (nhóm thiết bị Lập trình, vi điều khiển, cảm biến và mô hình công nghệ năng lượng cấp THPT).

2. Mục tiêu dạy học theo Chương trình GDPT 2018

2.1. Phẩm chất và năng lực chung

• Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo: Phân tích nguyên nhân làm suy giảm hiệu suất của tấm pin mặt trời cố định; từ đó đề xuất thiết kế cơ cấu bám hướng sáng tự động và trạm phát điện gió bổ trợ.
• Năng lực giao tiếp và hợp tác: Làm việc nhóm hiệu quả, phân chia nhiệm vụ cụ thể giữa nhóm thiết kế cơ khí, nhóm đấu nối mạch điện tử và nhóm lập trình điều khiển.
• Phẩm chất chăm chỉ và trách nhiệm: Cẩn trọng trong thao tác thí nghiệm điện; hình thành ý thức sử dụng năng lượng tiết kiệm và hành động bảo vệ môi trường tự nhiên.

2.2. Năng lực đặc thù môn học

• Giải thích được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện gió dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và tấm pin quang điện (quang năng thành điện năng).
• Tính toán và đo đạc được điện áp (V), dòng điện (mA) và công suất phát ra tức thời của hệ thống bằng đồng hồ vạn năng hoặc module cảm biến đo áp.
• Xây dựng được sơ đồ thuật toán điều khiển: so sánh giá trị ánh sáng giữa hai phía (Trái - Phải / Trên - Dưới) để xoay động cơ servo đưa tấm pin về phía có độ sáng cao nhất.

3. Danh mục vật tư và thiết bị thực hành

Một bộ kit thực nghiệm dành cho nhóm học sinh (4–5 em) bao gồm:

4. Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học (Thời lượng: 90 phút – 2 tiết)

Hoạt động 1: Đặt vấn đề và giao nhiệm vụ (15 phút)

• Khởi động: Giáo viên cho học sinh quan sát đồ thị lượng bức xạ mặt trời trong ngày và câu hỏi mở: "Tại sao các tấm pin mặt trời lắp cố định trên mái nhà thường chỉ đạt công suất đỉnh vào khoảng giữa trưa? Làm thế nào để tấm pin luôn đón được nhiều ánh sáng nhất từ sáng đến chiều?"
• Tình huống thực tế: Thảo luận về việc kết hợp năng lượng mặt trời và gió trong các trạm hải đăng, vùng hải đảo hay trạm viễn thông xa lưới điện quốc gia.
• Giao nhiệm vụ: Thiết kế và chế tạo một mô hình trạm năng lượng tái tạo kép: tấm pin mặt trời có khả năng tự động quay theo nguồn sáng và tua-bin gió có thể phát ra dòng điện khi có luồng khí chuyển động.

Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền tảng và đề xuất giải pháp (20 phút)

• Nguyên lý bám hướng sáng (Solar Tracking):
• Học sinh tìm hiểu mạch phân áp dùng 2 cảm biến quang trở (LDR) đặt ở hai bên tấm pin, ngăn cách bởi một vách chắn sáng ở giữa.
• Khi ánh sáng chiếu vuông góc: Hai LDR nhận lượng sáng bằng nhau -> Chênh lệch tín hiệu $\Delta V \approx 0$ -> Động cơ đứng yên.
• Khi nguồn sáng lệch sang một bên: LDR phía đó nhận nhiều sáng hơn (điện trở giảm, điện áp ngõ ra thay đổi) -> Vi điều khiển phát hiện sự chênh lệch và điều khiển Servo quay về phía có ánh sáng mạnh hơn cho đến khi cân bằng.
• Nguyên lý phát điện từ gió: Luồng gió làm quay cánh quạt gắn đồng trục với rotor máy phát điện mini, tạo ra suất điện động cảm ứng ở hai đầu cực.

Hoạt động 3: Lắp ráp cơ khí và đấu nối mạch điện tử (25 phút)

1. Lắp ráp cơ cấu xoay: Gắn giá đỡ tấm pin mặt trời vào trục quay của động cơ servo. Cố định 2 cảm biến quang trở về hai phía của tấm pin kèm vách ngăn định hướng ánh sáng.
2. Lắp đặt tua-bin gió: Cố định trụ tháp và gắn cụm động cơ phát điện mini cùng cánh quạt gió.
3. Đấu nối dây điều khiển:

• Cảm biến LDR1, LDR2: Chân tín hiệu kết nối với chân A0, A1 của vi điều khiển.
• Động cơ Servo: Chân tín hiệu điều khiển PWM kết nối với chân số 9.
• Cảm biến đo điện áp: Cực đo nối với hai cực của tấm pin mặt trời (hoặc máy phát điện gió), chân tín hiệu Analog nối vào chân A2.
• Nguồn cấp cho vi điều khiển và servo: Đảm bảo cấp nguồn 5V ổn định qua cổng USB máy tính hoặc nguồn phụ.

Hoạt động 4: Lập trình thuật toán điều khiển và hiển thị dữ liệu (15 phút)

Học sinh thực hiện lập trình thuật toán bám hướng sáng (bằng khối lệnh hoặc ngôn ngữ C++/Python):

• Đọc giá trị tương tự từ A0 ($Value_1$) và A1 ($Value_2$).
• Tính độ chênh lệch: $diff = Value_1 - Value_2$.
• Thiết lập vùng dung sai (Tolerance) để tránh việc động cơ rung lắc liên tục khi chênh lệch không đáng kể ($|diff| < threshold$).
• Nếu $Value_1 > Value_2 + threshold$: Tăng góc quay Servo từng bước nhỏ ($pos = pos + 1$).
• Nếu $Value_2 > Value_1 + threshold$: Giảm góc quay Servo từng bước nhỏ ($pos = pos - 1$).
• Giới hạn góc quay trong khoảng an toàn ($0^\circ - 180^\circ$).
• Đọc giá trị điện áp từ chân A2, chuyển đổi thành Volt thực tế ($V = Analog \times \frac{5.0}{1023} \times Ratio$) và in lên màn hình Serial Monitor.

Hoạt động 5: Thực nghiệm, đánh giá và báo cáo (15 phút)

• Thực nghiệm 1 (Bám sáng): Dùng đèn pin hoặc đèn bàn di chuyển từ trái sang phải, quan sát góc xoay của tấm pin mặt trời. Đo điện áp phát ra khi tấm pin vuông góc với đèn so với khi đặt góc lệch $45^\circ$.
• Thực nghiệm 2 (Phát điện gió): Dùng quạt bàn thổi gió ở các mức tốc độ khác nhau, ghi nhận giá trị điện áp phát ra từ tua-bin gió qua đồng hồ vạn năng.
• Báo cáo và thảo luận: Đại diện các nhóm trình bày bảng số liệu đo được, giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của hệ thống (ánh sáng môi trường xung quanh, độ trễ cơ khí) và đề xuất phương án cải tiến (bám sáng 2 trục Azimuth - Elevation, tích hợp mạch lưu trữ pin sạc 18650).

5. Tiêu chí đánh giá và định hướng phát triển

5.1. Bảng tiêu chí đánh giá dự án

• Tiêu chí 1: Kết cấu cơ khí và thẩm mỹ (30%): Khung trạm vững chắc, động cơ chuyển động êm ái, dây dẫn bố trí khoa học, an toàn.
• Tiêu chí 2: Tính năng kỹ thuật và độ chính xác (40%): Tấm pin bám theo nguồn sáng nhạy bén, không bị giật rung; tua-bin gió quay trơn tru và phát ra điện áp đo được.
• Tiêu chí 3: Năng lực thu thập và phân tích dữ liệu (30%): Nhóm ghi chép đầy đủ số liệu thực nghiệm, tính toán được mức tăng hiệu suất năng lượng và thuyết trình lưu loát.

5.2. Hướng mở rộng cho chuyên đề học tập

• Bổ sung mạch lưu trữ năng lượng: Dùng mạch sạc TP4056 kết hợp pin Lithium 18650 để lưu trữ điện năng dư thừa tạo ra từ gió và mặt trời.
• Tích hợp module IoT (ESP32 / Wi-Fi): Gửi dữ liệu điện áp, công suất phát điện lên bảng điều khiển trực tuyến (Dashboard) để theo dõi từ xa theo thời gian thực.