ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

MỞ ĐẦU1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN3 1.1. Pin năng lượng mặt trời3 1.1.1. Cấu tạo3 1.1.2. Phân loại4 1.1.3. Nguyên lí hoạt động6 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI8 2.1. Mục đích thiết kế8 2.2. Tính toán thiết kế mô phỏng8 2.3. Một số hình ảnh về mô phỏng9 2.4. Nguyên lí hoạt động của mặt mô phỏng10 2.4.1. Mạch đèn giao thông được mô phỏng trên Proteus10 2.4.2. Mạch còi báo đi nhanh11 2.4.3. Mạch nguồn và ngăn quá áp12 2.5. Lập trình Arduino14 KẾT LUẬN17

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN CUỐI KÌ ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI Môn học: Năng lượng mới trên ô tô

GVHD: Trần Thanh Thưởng LỚP: Chiều thứ 5-6, tiết 7-9

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2021

THÀNH VIÊN

Tham gia tích cực hoạt động nhóm, nêu mục đích thiết kế và phần kết luận

Hoànthànhtốt

2 19145398 Trang Ngọc Bảo Hưng Tham gia tích cực hoạt động nhóm, phân công nhiệm vụ, và

tổng hợp nội dung

Hoànthànhtốt

Tham gia tích cực hoạt động nhóm, nêu lí do chọn đề tài và tính toán thiết kế mô phỏng

Hoànthànhtốt

Tham gia tích cực hoạt động nhóm, nêu cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của pin nănglượng mặt trời

Hoànthànhtốt

Tham gia tích cực hoạt động nhóm, thiết kế mạch trên Proteus, viết code trên Arduino

Hoànthànhtốt

Tham gia tích cực hoạt động nhóm, nêu cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của pin nănglượng mặt trời

Hoànthànhtốt

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Điểm:

Ngày… tháng… năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Pin năng lượng mặt trời 3

1.1.1 Cấu tạo 3

1.1.2 Phân loại 4

1.1.3 Nguyên lí hoạt động 6

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 8

2.1 Mục đích thiết kế 8

2.2 Tính toán thiết kế mô phỏng 8

2.3 Một số hình ảnh về mô phỏng 9

2.4 Nguyên lí hoạt động của mặt mô phỏng 10

2.4.1 Mạch đèn giao thông được mô phỏng trên Proteus 10

2.4.2 Mạch còi báo đi nhanh 11

2.4.3 Mạch nguồn và ngăn quá áp 12

2.5 Lập trình Arduino 14

KẾT LUẬN 17

MỞ ĐẦU

Năng lượng và sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả là những vấn đề cấp thiếtđược chính phủ, các bộ ngành, địa phương rất quan tâm Trong các nguồn năng lượng táitạo, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có tiềm năng lớn, cung cấp ở phạm vi rộng.Việc phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời đã đáp ứng một phần nhu cầu điện năng

sử dụng trong sản xuất, đời sống và sinh hoạt của người dân, góp phần bảo vệ môi trường

và chống biến đổi khí hậu

Công nghệ, thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời đã được hoàn thiện và thương mại hóakhông chỉ ở các nước trên thế giới, mà tại Việt Nam đều đã ứng dụng năng lượng mặt trời

để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng với quy mô nhỏ nhất là ở những khu vực chưathể nối được lưới điện đã phát triển mạnh và đạt được hiệu quả cao Trong những nămgần đây, Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượngmặt trời, ứng dụng công nghệ quang điện tiên tiến để cấp điện và quang nhiệt nhằm cấpnhiệt phục vụ cho nhu cầu của người dân đồng thời phát triển kinh tế, xã hội

Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá rất dồi dào, phong phú và lànguồn năng lượng cơ bản có tính chiến lược Không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điệnlưới mà còn là nguồn bổ sung quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phầnđảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường sống Việt Nam đã ứng dụng nănglượng mặt trời để cấp điện, nhiều địa phương trong cả nước đã sử dụng năng lượng mặttrời trong chiếu sáng công cộng

Hệ thống đèn báo hiệu giao thông là một trong những hạng mục công trình hạ tầng kỹthuật quan trọng, tiêu thụ lượng điện năng tương đối lớn và có nhiều tiềm năng để tiếtkiệm Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nên việc ứngdụng các giải pháp để sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trong chiếu sáng công cộng đangnhận được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học Một trong những biện pháphiệu quả được đề cập đến đó là hệ thống đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời.Việc ứng dụng một nguồn năng lượng dồi dào như vậy không chỉ giảm bớt gánh nặng chiphí và tổn thất quốc gia mà còn góp phần bảo vệ môi trường sống đang ngày một bị tàn

phá hiện nay Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề, chúng em đã chọn đề tài “Hệ

thống đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời” và mô phỏng trên phần mềm

Proteus để kiểm định tính hoạt động hiệu quả

Với kinh nghiệm và kiến thức còn ít nhưng với sự chỉ bảo tận tình của Thầy TrầnThanh Thưởng chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời gian quy định

Trong quá trình thực hiện đồ án, dù mỗi thành viên trong nhóm đã hết sức cốgắng, cộng với sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy và bạn bè, xong do khả năng, tài liệu

và thời gian còn hạn chế nên khó có thể tránh khỏi sai sót Vì vậy chúng em rất mong sựchỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của bạn bè để đồ án của chúng em được hoàn thiện

Qua đây em cũng xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của Thầy TrầnThanh Thưởng đã tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đồ án

Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2021

Nhóm thực hiện:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Pin năng lượng mặt trời

1.1.1 Cấu tạo

- Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) baogồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có thành phần chính làsillic tinh khiết - có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốtquang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Các tế bào quangđiện này được bảo vệ bởi một tấm kính trong suốt ở mặt trước và một vật liệu nhựa ởphía sau Toàn bộ nó được đóng gói chân không trong thông qua lớp nhựa polymer càngtrong suốt càng tốt

Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụthuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối

để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pinmặt trời)

Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết Ở dạngtinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗtrống (hole) như nhau Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại

n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n Thực tế thì xuấtphát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p - n,người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp

 Cấu tạo một module Pin mặt trời:

Tấm kính phủ phía trên Tấm keo EVA

Lớp các Pin mặt trời Tấm keo EVA Tấm đáy

 Nền tảng vật lý chất bán dẫn:

Để tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý chất bándẫn Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thểsilic

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp vớisilicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không cótrật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều).Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon

Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định,electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng nănglượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ họclượng tử

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ học lượng tử,giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống Để tạo ra silic có tính dẫnđiện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảngtuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinhthể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên cácphân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoàicùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron

Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kếtnối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp vớinguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếumang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốtpho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n

và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bándẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

1.1.2 Phân loại

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặttrời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.

Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ cácthỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Hình 1.1: Pin mặt trời một tinh thể

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội

và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuynhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lạicho hiệu suất thấp của nó

Hình 1.2: Pin mặt trời loại đa tinh thể

- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh

thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vìkhông cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 1.3: Pin mặt trời được làm từ miếng phim silic mỏng

 Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác

có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi- đồng (CuCds), Galium- arsenit (GaAs) …

1.1.3 Nguyên lí hoạt động

Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời.

- Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

+ Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi nănglượng của photon thấp hơn năng lượng để đưa các hạt electron lên mức năng lượng caohơn

+ Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi nănglượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electrontrong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kếtdính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kíchthích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đónguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỗ trống” Lỗ trống này tạo điều kiện cho cácelectron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống”, và điều này tạo ra lỗ

trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống” Cứ tiếp tục như vậy “lỗ trống” di chuyểnxuyên suốt mạch bán dẫn.

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớpngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thếnên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết nănglượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụngđược

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐÈN GIAO THÔNG SỬ

DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI2.1 Mục đích thiết kế

- Thiết kế đơn giãn, nhỏ gọn, không cần đến dây điện giúp thuận lợi trong việctháo lắp, sửa chữa và tiết kiệm chi phí bảo dưỡng hệ thống

- Hoạt động hoàn toàn tự động, tự động nạp năng lượng và bật sáng đèn vào banđêm, không cần đến người điều khiển hệ thống

- Hoạt động hoàn toàn nhờ năng lượng mặt trời tiết kiệm chi phí về điện, góp mộtphần ý nghĩa quan trọng vào việc sử dụng năng lượng xanh

- Các thiết kế đẹp mắt, chống lực va đập Các chip Led siêu sáng mang đến ánhsáng mạnh, ổn định nhưng không bị chói mắt

- Hoạt động bình thường không phụ thuộc vào các sự cố mất điện, có khả năng dựtrữ điện cho những ngày thiếu ánh mặt trời

2.2 Tính toán thiết kế mô phỏng

- Mô hình được xây dựng nhằm đáp ứng mục tiêu đã đặt ra của đề tài bao gồm:Chọn Arduino 5v 20mA

Công suất arduino tiêu thụ = 5*20*= 0.1W

Lượng điện tiêu thụ của thiết bị tải: Q = 0.1x24 = 2.4

Công suất tiêu thụ của pin mặt trời loại độc lập:

W = Q / (H × f) = 2.4 / (3 x 0.75)  1.07WTrong đó:

H – là cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời trung bình tại khu vực lắp đặt điện mặt trời

Vì đang mô phỏng trên Arduino nên chọn H = 3 Wh/mm2/ngày

f – là hệ số hao hụt do chuyển đổi, do đường dây lấy 0.75

Vậy nên, ta chọn:

TẤM PIN MẶT TRỜI 112X84MM (6V-180mA) với công suất W = 1.08W

2.3 Một số hình ảnh về mô phỏng

Hình 2.1: Arduino Uno R3

Hình 2.2: Pin 5V Hình 2.3: Điện trở

2.4 Nguyên lí hoạt động của mặt mô phỏng

Khi điện từ năng lượng mặt trời (ban ngày) hoặc acquy (ban đêm) cung cấp điệncho arduino, thì chính arduino là nguồn nuôi cho toàn mạch

2.4.1 Mạch đèn giao thông được mô phỏng trên Proteus

Hình 2.4: Tấm pin năng lượng mặt trời 6V-180mA

*Nguyên lí hoạt động:

Ta sẽ xét nguyên lí hoạt động một nhóm thiết bị gồm: arduino, 3 bóng đèn led(biểu thị cho đỏ, xanh và vàng), relay Từ các nhóm còn lại nguyên lí hoạt động tương tựnhau (Hình 2.5)

Khi đèn xanh sáng thì chân 8 cho ra mức cao 5V làm relay 1 đóng lại từ đó dòng

sẽ được cấp cho đèn xanh

Sau 40 giây chân 13 và chân 8 tắt ,khi chân 8 tắt thì dòng sẽ được cấp cho đèn đỏ

và relay 4 (vì relay 5 nhả do chân 13 tắt làm cho dòng nối relay 4 kín mạch), khi có dòngqua relay 4 (dòng qua relay 2 do chân 13 tắt nên relay 2 nhả cho dòng đi qua) thì relay 4đóng giúp dòng qua đèn vàng kín và đồng thời qua relay 5 và làm relay đóng lại làm chodòng qua đèn đỏ hở mạch đèn đỏ tắt và đèn vàng sáng 5 giây

Sau 5 giây thì chân 13 lên mức cao 5V làm relay 2 đóng và dòng qua relay 4 bị hở

và làm realy 5 nhả từ đó dòng từ relay 5 tới relay 6 làm relay 6 đóng lại làm cho dòngqua đèn vàng bị hở, vậy đèn vàng tắt và đèn đỏ sáng 30 giây

Sau 30 giây thì chân 8 lên lại mức cao làm relay 1 đóng và đèn xanh sáng đèn đỏtắt

2.4.2 Mạch còi báo đi nhanh

*Nguyên lí hoạt động:

Dòng từ đèn vàng do dưới 5v nên phải qua con LM358 để có dòng 5v vào conrelay, vì chỉ có relay 5v, khi có dòng relay đóng làm hở dòng từ chân 4 xuống mass,ic555 sẽ tạo xung và coi sẽ kêu lên

2.4.3 Mạch nguồn và ngăn quá áp

*Nguyên lí hoạt động:

Khi không có ánh sáng thì quang trở cực đại nên sẽ không có dòng qua làm choQ1 không dẫn và Q2 dẫn suy ra sẽ có dòng qua relay thông qua Q2 và relay sẽ đóng lại

và arduino sẽ lấy nguồn từ Acquy và dừng sạc cho acquy

Khi có ánh sáng quang trở cực tiểu nên sẽ có dòng vào chân B của Q1 và làm Q1dẫn và từ đó làm Q2 không dẫn suy ra sẽ không có dòng qua relay và relay sẽ nhả ra vàArduino sẽ lấy nguồn từ Pin mặt trời và tiến hành sạc cho acquy

Opame LM358 dùng để tránh hiện tượng quá áp cho Acquy, chân 3 được nối từPin và chân 2 sẽ được nối vào nguổn tiêu chuẩn của Acquy, khi chân 3 bị quá áp (điện ápchân 3 lớn hơn chân 2 ) thì LM358 sẽ ngắt điện vào Acquy, tránh gây nổ bình

Hình 2.6: Mạch còi báo đi nhanh

Hình 2.7: Mạch nguồn và ngăn quá áp

unsigned char ledoutput;

unsigned char ledoutput1;

unsigned char xchar=-1;

if(pos<16) xchar=0x1 & val>>pos;

xbit=xchar;

return xbit;}

boolean BitState1(char val,char pos)

{boolean xbit1;

unsigned char xchar1=-1;

if(pos<16) xchar1=0x1 & val>>pos;

void delaydisplay10ms(char time)

{for(int i=0;i<time;i++) displayled();

Những lợi ích và ý nghĩa mà hệ thống mang lại.

Mô phỏng hệ thống trên ứng dụng proteus

- Hạn chế:

Do hiệu suất của pin rất thấp dưới 25% nên diện tích tấm pin cần lắp đặt rất

lớn chiếm nhiều diện tích Việc lắp đặt trong các đô thị đông đúc còn hạn chế

Mô hình chỉ mới mô phỏng chưa đưa ra thực tế

- Thông qua bài báo cáo, em rút ra kết luận như sau:

Việc sử dụng năng lượng mặt trời đóng góp một phần quan trọng trong cuộc sống,

từ việc tiết kiệm nhiên liệu đến việc bảo vệ môi trường Đây sẽ là bước đi đầu để hướngcộng đồng đến việc sử dụng năng lượng xanh làm chủ đạo trong việc sản xuất và cuộcsống hằng ngày

Trong tương lai việc sử dụng năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, LPG, …) sẽđược nhân rộng trong cộng đồng do nhu cầu cuộc sống và ý thức bảo vệ môi trường củamọi người được tăng cao và ý nghĩa to lớn nó mang lại

Em xin chân thành cảm ơn!