ĐỒ án tốt NGHIỆP đề tài thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED

6 1.3 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường.. 7 1.5 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường... Đặc biệt đối

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và

ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED

Giáo viên hướng dẫn : GS Tạ Cao Minh

: Ths Nguyễn Duy Đỉnh Sinh viên thực hiện : Lê Tất Thắng

Hµ néi - 2015

MỤC LỤC

1.1 Lịch sử 4

1.2 Phân loại hệ thống năng lượng mặt trời 4

1.2.1 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 4

1.2.2 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới 6

1.3 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường 7

1.4 Kết luận 9

2 PIN MẶT TRỜI 10 2.1 Khái niệm về pin mặt trời 10

2.1.1 Định nghĩa 10

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 10

2.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 11

2.3 Mô hình hóa pin mặt trời 12

2.4 Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại 14

2.4.1 Tổng quan 14

2.4.2 Nguyên lý dung hợp tải 15

2.4.3 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) 16

2.5 Kết luận 18

3 ẮC QUY AXIT CHÌ 19

3.1 Tổng quan về ắc quy 19

3.2 Một số phương pháp sạc 20

3.2.1 Phương pháp nạp dòng không đổi 20

3.2.2 Phương pháp nạp áp không đổi 21

3.2.3 Phương pháp nạp kết hợp dòng và áp 21

3.3 Quy trình sạc tiêu chuẩn 21

3.3.1 Hiện tượng quá nạp 23

3.3.2 Hiện tượng tự xả 23

3.4 Sạc ắc quy kết hợp MPPT 23

3.5 Kết luận 25

4 ĐÈN LED 26 4.1 Tổng quan về chiếu sáng đèn LED 26

4.1.1 Giới thiệu về đèn LED 26

4.1.2 Các ứng dụng tiêu biểu của LED 28

4.1.3 Vai trò của thiết bị nguồn chiếu sáng đèn LED 29

4.2 Quy trình sạc ắc quy kết hợp với chiếu sáng LED 30

4.3 Kết luận 32

5 LỰA CHỌN, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 33 5.1 Bài toán thiết kế 33

5.2 Bộ biến đổi cho bộ sạc 34

5.2.1 Lựa chọn cấu hình 34

5.2.2 Tính toán các phần tử mạch lực của bộ biến đổi 34

5.2.3 Mô hình hóa bộ biến đổi tăng áp 36

5.2.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng và điều khiển áp 40

5.3 Bộ biến đổi cho tải LED 49

5.3.1 Lựa chọn cấu hình 49

5.3.2 Tính toán các phần tử mạch lực của bộ biến đổi 50

5.3.3 Mô hình hóa bộ biến đổi nguồn LED 51

5.3.4 Thiết kế bộ điều khiển 52

5.4 Kết luận 54

6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 55

6.1 Các kết quả mô phỏng 556.1.1 Sơ đồ mô phỏng và kết quả mô phỏng bộ sạc ắc quy trên phần mềm

PSIM 556.1.2 Sơ đồ mô phỏng mạch lực bộ ổn dòng để chiếu sáng cho LED trên

phần mềm PSIM 596.2 Kết quả thực nghiệm 606.2.1 Kết quả thực nghiệm bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời 616.2.2 Kết quả thực nghiệm bộ chiếu sáng LED 666.3 Kết luận 67

DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1 Sử dụng trực tiếp năng lượng từ pin mặt trời 5

1.2 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập với ắc quy 5

1.3 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới phân cấp 7

1.4 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới trung tâm 7

1.5 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường 8

2.1 Cấu tạo pin mặt trời [1] 10

2.2 Ảnh hưởng bức xạ mặt trời (a) và nhiệt độ (b) tới đặc tính của PMT [2] 11

2.3 Đường đặc tính PV khi thay đổi nhiệt độ và bức xạ mặt trời [2] 12

2.4 Đặc tính I −V của pin mặt trời [9] 12

2.5 Mô hình tương đương của pin mặt trời [9] 13

2.6 Sơ đồ mạch tương đương tuyến tính [9] 13

2.7 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải [6] 14

2.8 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải [6] 15

2.9 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC [6] 16

2.10 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O 17

2.11 Đặc tính P-V của pin mặt trời 17

2.12 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển theo điện áp tham chiếu Vre f [3] 18

3.1 Cấu tạo cơ bản của ắc quy axit chì 19

3.2 Quy trình sạc ắc quy 22

3.3 Sơ đồ hệ thống sạc ắc quy bằng pin Mặt trời 24

3.4 Quy trình sạc ắc quy bằng pin Mặt trời 24

4.1 Đặc tính Volt-Ampe của đèn LED [11] 27

4.2 (a) Đèn LED Downlight (b) Đèn LED Tube (c) Đèn LED Pannel 29

4.3 Đèn LED ngoài trời: (a) Đèn LED siêu sáng (b) Đèn LED Street 29

4.5 Thuật toán sạc ắc quy và phân phối ra tải LED 32

5.1 Cấu hình bộ biến đổi Boost với đầu vào là pin mặt trời và đầu ra là ắc quy 34

5.2 Đặc tính thể hiện quan hệ RESR2/RESR0 theo tần số [8] 35

5.3 Mô hình mạch Boost khi MOSFET đóng [9] 36

5.4 Mô hình mạch Boost khi MOSFET cắt [9] 37

5.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho bộ sạc 40

5.6 Cấu trúc bù loại 2 [12] 41

5.7 Sơ đồ điều khiển mạch vòng dòng điện [10] 42

5.8 Sơ đồ khối và dạng sóng của khối PWM [10] 43

5.9 Đồ thị Bode của đối tượng dòng điện 44

5.10 Đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện sau khi được bù 45

5.11 Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp [10] 45

5.12 Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp 46

5.13 Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp sau khi được bù 47

5.14 Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp [10] 47

5.15 Đồ thị Bode của đối tượng điện áp 48

5.16 Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp sau khi được bù 49

5.17 Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp sau khi được bù 49

5.18 Mô hình mạch nguồn LED khi MOSFET đóng 51

5.19 Mô hình mạch nguồn LED khi MOSFET cắt 51

5.20 Sơ đồ khối bộ điều khiển bộ nguồn LED 52

5.21 Sơ đồ khối bộ điều khiển bộ nguồn LED 53

5.22 Đồ thị Bode của đối tượng dòng điện trong bộ nguồn LED 53

5.23 Đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện trong bộ nguồn LED sau khi được bù 54 6.1 Sơ đồ sạc ắc quy mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.0 55

6.2 Bám công suất với thuật toán P&O khi chưa có bộ điều khiển 56

6.3 Bám công suất cực đại với các bộ điều khiển dòng và áp 56

6.4 Đện áp ra của bộ biến đổi 57

6.5 Dòng điện ra của bộ biến đổi 57

6.6 Điện áp đầu ra bộ biến đổi ở chế độ 2 58

6.7 Điện áp đầu ra bộ biến đổi ở chế độ 3 58

6.8 Sơ đồ chiếu sáng LED mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.0 sử dụng UC3842 59 6.9 Dòng điện đầu ra bộ biến đổi 59

6.10 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng tải LED đèn

đường 60

6.11 Sơ đồ mạch thực nghiệm bộ biến đổi sạc ắc quy 61

6.12 Điện áp hở mạch của pin mặt trời 62

6.13 Bắt đầu dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời 63

6.14 Điện áp và dòng điện bắt đầu tăng lên đến khi tìm được điểm làm việc lớn nhất của pin mặt trời 63

6.15 Điện áp và dòng điện tại điểm làm việc lớn nhất của pin mặt trời 64

6.16 Dòng điện sạc ắc quy giảm dần 65

6.17 Dòng điện và điện áp sạc ắc quy ở chế độ 3 65

6.18 Mạch chiếu sáng cho LED 66

6.19 Dòng điện đầu ra cấp cho LED khi chạy 75% tải 67

P.1 Nguyên lý mạch sạc ắc quy 71

P.2 Nguyên lý mạch chiếu sáng LED 72

P.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống 73

DANH MỤC BẢNG

1.1 Thông số pin mặt trời SL80CE-18M đo ở điều kiện chuẩn (cường độ bức

xạ mặt trời 1000W/m2, nhiệt độ 25oC) 8

1.2 Thông số ắc quy axit chì 8

5.1 Thông số thiết kế cho bộ sạc ắc quy 33

5.2 Thông số thiết kế bộ nguồn cho LED 33

6.1 Kết quả thực nghiệm ngày 24/5/2015 64

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

INC Incremental conductance Điện dẫn gia tăng

LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang

MPP Maximum Power Point Điểm công suất cực đạiMPPT Maximum Power Point Tracking Bám điểm công suất cực đạiP&O Perturb and Observe Nhiễu loạn và quan sát

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay năng lượng điện có vai trò thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày đáp ứng mọimặt về kinh tế, văn hóa, xã hội Sự tiêu thụ điện năng tăng vọt theo từng năm Nhằm đápứng được với sự tiêu thụ điện ngày càng tăng của các khu công nghiệp, hộ gia đình, mỗi đấtnước cần có những chính sách khai thác, sử dụng, phân phối một cách hiệu quả các nguồnnăng lượng Đặc biệt đối với nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời, năng lượng gió,mỗi quốc gia đều có những chế tài khuyến khích việc sử dụng các nguồn năng lượng sạchnày, một phần giúp giảm tải cho điện lưới quốc gia và cũng đồng thời góp phần chung taygiải quyết các vấn đề toàn cầu như hiệu ứng nhà kính hay cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên.Việc khai thác năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời ngày càng rộng cả vềquy mô và chất lượng, từ các ứng dụng nhỏ trong truyền thông cho đến các hệ thống mặttrời nối lưới Với mong muốn khám phá, đào sâu nghiên cứu một hệ thống khai thác nănglượng mặt trời, em đã cố gắng tìm hiểu lựa chọn những bước đi đầu tiên trong việc tiếp cận

hệ thống khai thác năng lượng mặt trời Đề tài: “Thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED” là một đề tài khá cơ bản

mà cũng khá tiềm năng trong việc khai thác năng lượng mặt trời và ứng dụng cho chiếusáng Bên cạnh việc tối ưu hóa quá trình khai thác, lưu trữ năng lượng, đề tài cũng đã đưa

ra phương pháp phân phối nguồn năng lượng này một cách hiệu quả đồng thời bảo vệ, kéodài tuổi thọ cho các phần tử trong hệ thống

Mục đích của đề tài

• Khai thác hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời với thuật toán bám công suất cực đại

• Sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời với ba chế độ tiêu chuẩn vào ban ngày, bảo vệquá dòng, quá nạp, xả sâu, tự xả cho ắc quy

• Ứng dụng cho tải LED đèn đường, nâng cao hiệu quả chiếu sáng, bật đèn khi trời tối,

và chuyển sang sạc ắc quy khi trời sáng

Đối tượng nghiên cứu

• Pin mặt trời

• Bộ biến đổi DC-DC cấu trúc Boost.

• Ắc quy axit chì

• Đèn LED chiếu sáng

Phạm vi nghiên cứu

• Ứng dụng với một tấm pin mặt trời công suất thấp

• Sử dụng thuật toán P&O để điều khiển bám công suất cực đại

• Ứng dụng LED cho chiếu sáng đường

Phương pháp nghiên cứu

• Tìm hiểu về đặc tính của pin mặt trời, từ đó đưa ra được thuật toán nhằm tối ưu côngsuất

• Tìm hiểu về đặc tính của ắc quy

• Sử dụng những kiến thức cơ bản của lý thuyết mạch, điện tử công suất và kỹ thuật lậptrình xây dựng mô hình toán học cho bộ biến đổi và lập trình cho vi điều khiển

• Sử dụng phần mềm MATLAB và PSIM làm công cụ xây dựng mô hình mô phỏng cho

bộ biến đổi

Ý nghĩa của đề tài

• Sử dụng tối đa được nguồn năng lượng có thể cung cấp từ pin mặt trời

• Các chế độ sạc tiêu chuẩn để đảm bảo tuổi thọ của ắc quy

• Ứng dụng nguồn năng lượng tích trữ được trong đời sống hiện nay

Nội dung của đề tài này được trình bày trong 6 chương

• Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống năng lượng mặt trời

• Chương 2 Pin mặt trời

• Chương 3 Ắc quy axit chì

• Chương 4 Đèn LED

• Chương 5 Lựa chọn, tính toán và thiết kế các bộ biến đổi

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã nỗ lực nghiên cứu, tìm tòi học hỏi đểtích lũy thêm nhiều kiến thức quý báu Do kiến thức cũng như kinh nghiệm bản thân cònhạn chế nên bản đồ án này khó tránh khỏi những thiếu sót Vậy em rất mong nhận đượcnhững lời đánh giá, góp ý của các thầy cô để em được hoàn thiện kiến thức hơn.

Qua đây em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh cùng

cán bộ nghiên cứu tại trung tâm CTI đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quátrình thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 6 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Lê Tất Thắng

Vào những năm 1970, sự cải tiến trong sản xuất, thiết kế và chất lượng của pin mặt trờigiúp cho việc giảm giá thành và mở ra một cơ hội mới cho các ứng dụng trên mặt đất nhưsạc pin cho việc định hướng, tín hiệu, thiết bị viễn thông và các nhu cần cần năng lượngthấp.

Trong những năm 1980, pin mặt trời trở nên phổ biến cho các thiết bị điện tử bao gồmmáy tính, đồng hồ, các ứng dụng sạc pin nhỏ

Trong suốt các thập kỷ thiếp theo, các ứng dụng cho hệ thống pin mặt trời ngày càngđược mở rộng cả về chất lượng, quy mô

1.2 Phân loại hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống pin mặt trời (PMT) là hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điệnnăng Một hệ thống PMT bao gồm các phần tử khác nhau như pin mặt trời, các phần tử kếtnối điện, lắp ghép cơ khí và các bộ biến đổi Nguồn điện được tạo ra có thể được sử dụngtrong một hệ thống độc lập, được lưu dữ nhờ ắc quy hoặc có thể kết nối với hệ thống lướiđiện lớn hơn

1.2.1 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập

Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập được thiết kế để cung cấp nguồn cho một số tảimột chiều hoặc xoay chiều độc lập với lưới, cách đơn giản nhất là sử dụng trực tiếp năng

Hình 1.1: Sử dụng trực tiếp năng lượng từ pin mặt trời.

Đối với hê thống nối trực tiếp này thì tải chỉ hoạt động lúc trời nó nắng thích hợp vớicác ứng dụng như quạt thông gió, bơm nước và máy bơm tuần hoàn nhỏ cho hệ thống nướcnóng Đối với các ứng dụng rộng hơn, đòi hỏi hoạt động khi trời về đên hoặc điều kiện khíhậu thay đổi, cần phải có một hệ thống tích trữ điện, và thông thường thì ắc quy được sửdụng Hình 1.2 dưới đây mô tả hệ thống pin mặt trời độc lập với tích trữ năng lượng

Hình 1.2: Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập với ắc quy.

Ứng dụng của hệ thống này cho đến này có thể nói là khá rộng, cụ thể như sau:

• Ứng dụng chiếu sáng: hệ thống PMT là một nguồn điện khá lý tưởng cho việc cungcấp nhu cầu chiếu sáng, đặc biệt với hệ thống này thì ắc quy sẽ là phần tử có vai tròquan trọng do nhu cầu chiếu sáng vào ban đêm Các ứng dụng phổ biến hiện nay baogồm: chiếu sáng trong nhà, đèn lồng, biển quảng cáo, đèn pin, đèn đường phố, đườngcao tốc, bến thuyền, chiếu sáng vùng núi

• Cung cấp điện cho các vùng xa xôi: điện mặt trời là một giải pháp khá hữu hiệu để

cung cấp điện cho các vùng xa với hệ thống mạng lưới: đồng ruộng, tưới tiêu, căn hộvùng cao, hải đảo, bãi cắm trại, căn cứ quân sự.

• Ứng dụng trong thông tin, liên lạc: thiết bị điện thoại, radio, tivi, các hệ thống truyềnthông, quân đội, máy tính sách tay, trạm

• Ứng dụng hệ thống giám sát từ xa: giám sát nguồn điện, hệ thống đo lường, khí tượngthủy văn, giám sát đường cao tốc, giám sát địa chấn, thủy lợi

• Ứng dụng dân dụng: việc đưa năng lượng mặt trời vào sử dụng ngày càng phổ biến,rộng rãi, và đa dạng như: đồng hồ, máy tính, radio, tivi, tủ lạnh, đèn pin, đèn vườn

1.2.2 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới

Hệ thống điện mặt trời nối lưới hiện tại được ứng dụng phổ biến trong các khu dân cư

và tòa nhà thương mại, và nó nhanh chóng trở thành nguồn điện quan trọng trong hệ thốngđiện, giúp cho việc dụng nguồn năng lượng trực tiếp gần điểm tiêu thụ mà không bị tổn thất

do truyền tải và phân phối Hệ thống này hoạt động song song với điện lưới và cho phépviệc trao đổi điện năng với lưới điện Căn cứ vào công suất và mức độ tiêu thụ ta có thểchia làm 2 loại của hệ thống nối lưới là:

• Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới phân cấp (Hình 1.3)

• Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới trung tâm (Hình 1.4)

Đối với hệ thống phân cấp thì việc lưu trữ năng lượng có thể không cần thiết bới vì bức

xạ mặt trời sẽ cung cấp trực tiếp năng lượng cho tòa nhà, nếu có năng lượng dư thừa thì sẽđược đẩy vào lưới (Hình 1.3) Trong trường hợp này các bộ nghịch lưu phải sử dụng mộtcách hài hòa với điện lưới (về điện áp và tần số) Vào ban đêm hay tại thời điểm năng lượngmặt trời không đủ, lưới điện sẽ được sử dụng để cung cấp cho tòa nhà

Đối với hệ thống năng lượng mặt trời trung tâm được thiết kế lắp đặt thường với côngsuất cỡ MW, hệ thống này có thể đạt được mức điện lưới áp trung bình hoặc cao Hình 1.4

mô tả hệ thống điện mặt trời trung tâm

Hình 1.3: Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới phân cấp.

Hình 1.4: Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới trung tâm.

1.3 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường

Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và kết nối tải led là ứng dụng sử dụngcấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời độc lập với việc chiếu sáng ban đêm do đó cần phải

sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng

Hệ thống bao gồm pin mặt trời, ắc quy, LED, các bộ biến đổi, khối điều khiển Nănglượng được truyền từ pin mặt trời đến ắc quy thông qua bộ biến đổi DC – DC và tải tiêuthụ năng lượng từ ắc quy Các thuật toán dò công suất cực đại, thuật toán sạc, điều khiển vàphân phối ra tải được tích hợp trong một vi điều khiển, được mô tả như hình dưới đây:

Hình 1.5: Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường.

Bảng 1.1:Thông số pin mặt trời SL80CE-18M đo ở điều kiện chuẩn (cường độ bức xạ mặttrời 1000W/m2, nhiệt độ 25oC)

Công suất lớn nhất PMPP 80WĐiện áp tại điểm MPP VMPP 17,64VDòng điện tại điểm MPP IMPP 4,54A

Việc tối ưu hóa công suất đầu vào được thực hiện bằng cách dò và bám điểm công suấtcực đại thông qua bộ điều khiển bám công suất cực đại Các bộ điều khiển chế độ sạc vàcác thuật toán chọn bộ điều khiển giúp hệ thống hoàn thiện, hoạt động đúng như yêu cầuthiết kế Bên cạnh đó, ắc quy được bảo vệ quá dòng, quá áp, sả sâu Đèn sẽ hoạt động dựavào yêu cầu sử dụng sáng hoặc tối.

Trong đề tài này, nhiệm vụ cần thực hiện bao gồm:

• Phân tích, đánh giá, lựa chọn các thông số pin mặt trời và ắc quy Thông số cụ thể củapin mặt trời được cho trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2 ở trên

• Thiết kế bộ biến đổi sạc ắc quy kết hợp MPPT

• Thiết kế bộ biến đổi một chiều cung cấp nguồn cho tải LED

• Ghép nối hệ thống, phân phối dựa vào nhu cầu sử dụng của LED

1.4 Kết luận

Chương 1 đã trình bày sơ lược tổng quan về các loại hệ thống PMT, nguyên lý hoạt động,cấu tạo của hệ thống Nhằm đảm bảo việc khai thác tối ưu hiệu quả nguồn năng lượng mặttrời, các loại hệ thống được sử dụng ứng với những nhu cầu khác nhau Bên cạnh đó, chương

1 đưa ra rõ mục tiêu, nhiệm vụ thiết kế, cấu trúc hệ thống sạc ắc quy và cấp nguồn cho tảiđèn đường với những thông số về PMT và ắc quy đã nêu trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2

CHƯƠNG 2 PIN MẶT TRỜI

2.1 Khái niệm về pin mặt trời

2.1.1 Định nghĩa

Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớncác linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diode p-n, dùng để biến đổi năng lượng ánhsáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

a) Cấu tạo

Pin mặt trời (PMT) có cấu tạo bao gồm các lớp: lớp bán dẫn p-n, lớp điện cực, lớpchống phản xạ và lớp bảo vệ Hình 1.1 mô tả cấu tạo của PMT

Hình 2.1: Cấu tạo pin mặt trời [1].

• Lớp bán dẫn p-n: là bán dẫn tinh thể Silic pha tạp chất nguyên tử nguyên tố khác nhưPhotpho (bán dẫn loại n), Bo (bán dẫn loại p)

Vật liệu làm điện cực phải vừa có độ dẫn điện tốt, vừa có độ bám dính tốt vào chất bándẫn Điện cực thường được chế tạo gồm ba lớp: Titan, Paladi và bạc.

• Lớp chống phản xạ: sự phản xạ ánh sáng sẽ làm giảm hiệu suất của PMT Vì vậy, đểchống phản xạ cho PMT thì phải phủ một hoặc hai lớp SiO2 hay TiO2 ở ngoài

• Lớp bảo vệ: vì PMT phải làm việc ngoài trời nên để bảo vệ và tăng tuổi thọ thì mặttrên của các tấm PMT phải được phủ một lớp chất dẻo trong suốt

2.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Đặc tính của pin mặt trời phụ thuộc vào các yếu tố cường độ bức xạ mặt trời(BXMT),nhiệt độ, áp suất khí quyển, độ ẩm Trong đó có 2 yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới hoạt độngcủa PMT là nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời Hình 2.2(a) thể hiện rõ cường độ dòngđiện thay đổi theo chiều thuận với cường độ bức xạ mặt trời

Hình 2.2: Ảnh hưởng bức xạ mặt trời (a) và nhiệt độ (b) tới đặc tính của PMT [2].

Khi thay đổi nhiệt độ từ 00C đến 600C và cường độ bức xạ được giữ nguyên thì điện áppin mặt trời giảm dần còn cường độ dòng điện hầu như không thay đổi (Hình 2.2(b)) Hình2.3 thể hiện đường đặc tính P −V ứng với 3 trạng thái điều kiện thời tiết khác khau.

Hình 2.3: Đường đặc tính PV khi thay đổi nhiệt độ và bức xạ mặt trời [2].

2.3 Mô hình hóa pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị có đặc tính I − V phi tuyến Hình 2.4 biểu diễn mô hình tươngđương của một pin mặt trời và (2.1) thể hiện mối quan hệ giữa các thông số của pin

Hình 2.4: Đặc tính I −V của pin mặt trời [9].

Hình 2.5: Mô hình tương đương của pin mặt trời [9].

Trong đó:

• Iphlà dòng quang điện (tỷ lệ thuận với bức xạ mặt trời)

• I0 là dòng điện bão hòa ngược

• Vt = AkTq là điện áp nhiệt

• Alà hệ số diode lý tưởng

• k=1, 380.10−23JK−1 là hệ số Boltzmann

• T[K] là nhiệt độ lớp tiếp giáp p − n

• Đèn q = 1, 602.10−19Clà điện tích điện tử

Hình 2.6: Sơ đồ mạch tương đương tuyến tính [9].

Mô hình pin mặt trời cần được tuyến tính hóa bằng cách sử dụng đạo hàm đường congphi tuyến tại điểm cần tuyến tính hóa [5] Mô hình tuyến tính được mô tả bởi đường tiếptuyến với đường cong I −V (Hình 2.4) tại điểm công suất cực đại

g= dI

dV

V =V mp ,I=I mp

= −I0

Vt

I = (−g.Vmp+ Imp) + g.V (2.3)Hình 2.6 mô tả mạch tương đương tuyến tính của pin mặt trời Giá trị điện áp Vgvà điện trở

Rg tương đương được tính toán theo (2.5) và (2.6) bằng việc thay thế I = 0 à V = 0 tươngứng

2.4 Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại

2.4.1 Tổng quan

Hình 2.7: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải [6].

Ứng với mỗi điều kiện thời tiết nhất định sẽ có một đường đặc tính về công suất khácnhau và trong đường đặc tính ấy sẽ có một điểm công suất lớn nhất Như vậy nhiệm vụ làcần phải tìm ra điểm này và giữ hệ thống làm việc tại đó Bộ điều khiển bám công suất cực

đại (MPPT) sẽ thực hiện nhiệm vụ đó thông qua việc điều khiển đóng mở van đóng cắt của

Hình 2.8: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải [6].

Như vậy ứng với tải có giá trị R2thì PMT sẽ làm việc tại điểm có công suất cực đại MPP,tuy nhiên điều này chỉ xảy ra một cách hết sức ngẫu nhiên Khi điều kiện thời tiết thay đổihoặc tải biến động, để pin mặt trời vẫn hoạt động ở điểm MPP ta cần bộ MPPT hoạt độngtheo nguyên lý dung hợp tải

2.4.2 Nguyên lý dung hợp tải

Như đã nói ở trên, khi PMT được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PMT sẽ

do đặc tính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau:

Trong đó: V0 là điện áp ra, I0 là dòng điện ra

Tải ứng điểm làm việc lớn nhất của PMT được xác định như sau:

Trong đó: V(MPP) và I(MPP) là điện áp và dòng điện tại điểm có công suất cực đại

Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị Ropt thì công suất truyền từ PMT đến tải sẽ làcông suất lớn nhất Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế Mụcđích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PMT đây cũngchính là nguyên lý dung hợp tải.

Hình 2.9: Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC [6].

Từ hình vẽ 2.9 trở kháng do PMT tạo ra là trở kháng vào Rt cho bộ biến đổi Bằng cáchđiều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rt được điều chỉnh giá trị phù hợp với Ropt Vì vậy,trở kháng của tải không cần phải quan tâm nhiều miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tửtrong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng quy tắc hợp lý

Có nhiều thuật toán MPPT đã được tìm ra trong đó có 2 thuật toán thông dụng nhất làthuật toán: gây nhiễu loạn và quan sát (P&O), điện dẫn gia tăng (INC) Đồ án này chỉ tậptrung vào phương pháp gây nhiễu loạn và quan sát

2.4.3 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O)

Phương pháp thực hiện nhiễu loạn và quan sát (P&O) cũng giống như cái tên của nó,thuật toán dựa vào việc quan sát công suất đầu ra và dịch chuyển công suất dựa vào tănghoặc giảm điện áp hay dòng điện tham chiếu Việc tăng hay giảm tín hiệu tham chiếu phụthuộc vào công suất trích mẫu trước đó

Hình 2.10 mô tả cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O Trong đó tín hiệudòng điện, điện áp ra của PMT được xử lý nhờ thuật toán P&O, sau khi tính toán, thuật toándưa ra tín hiệu điện áp tham chiếu Vre f Đây là điện áp cần bám để có thể dò điểm côngsuất cực đại Hệ thống cần thêm bộ điều khiển để việc bám này thực hiện đạt hiệu quả cao

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O.

Từ đồ thị đặc tính P-V (Hình 2.11) dưới đây, ta thấy rằng: Nếu điểm hoạt động của hệthống đang di chuyển theo hướng 1 tức ∆P > 0 và ∆V > 0 thì tăng điện áp để kéo điểm hoạtđộng về điểm công suất cực đại MPP Nếu điểm hoạt động đang di chuyển theo hướng 2tức ∆P < 0 và ∆V < 0 thì tăng điện áp để kéo điểm hoạt động ngược trở về điểm công suấtcực đại MPP Nếu điểm hoạt động đang di chuyển theo hướng 3 tức ∆P > 0 và ∆V < 0 cầngiảm điện áp để kéo điểm hoạt động về điểm công suất cực đại MPP Cuối cùng điểm hoạtđộng của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 tức ∆P < 0 và ∆V > 0 thì cần giảm điện

áp để kéo điểm hoạt động trở về điểm công suất cực đại MPP

Từ những phân tích trên đây suy ra lưu đồ thuật toán P&O như hình 2.12

Hình 2.11: Đặc tính P-V của pin mặt trời.

Hình 2.12: Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển theo điện áp tham chiếu Vre f [3].

Thuyết minh thuật toán:

• Đo các giá trị dòng và áp ra tại thời điểm k của PMT

• Tính P(k)=V(k)xI(k), ∆P=P(k)-P(k-1) và ∆V=V(k)-V(k-1)

• Nếu ∆P>0 và ∆V>0 hoặc ∆P<0 và ∆V<0 thì tăng Vre f

• Nếu ∆P>0 và ∆V<0 hoặc ∆P<0 và ∆V>0 thì giảm Vre f

• Cập nhật các giá trị dòng điện và công suất rồi thực hiện chu trình tiếp theo

Nhận xét: Ưu điểm: Cấu trúc đơn giản dễ thực hiện, cần ít thông số để tính toán

Nhược điểm: Công suất của hệ thống bị dao động xung quanh công suất cực đại

2.5 Kết luận

Chương 2 đã trình bày sơ qua về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Thôngqua việc phân tích đặc tính, thống số ảnh hưởng thì đã đưa ra được thuật toán giúp cho việctối ưu hóa công suất của pin mặt trời (P&O) trong quá trình vận hành hệ thống, bên cạnh

đó cũng đã mô hình hóa và đưa ra cấu trúc cho việc dò và bám công suất cực đại

Ắc quy axit chì có đặc tính sạc, xả kém hơn Trong khi các ắc quy khác có thời gian sạcngắn và có khả năng phóng dòng điện lớn đến C/2 thậm chí vài lần C (C là dung lượng ắcquy) thì ắc quy axit chì chỉ có thể làm việc dài hạn với dòng điện C/5 Tuy nhiên, ắc quyaxit chì là loại được sử dụng rộng rãi hơn, với giá cả phải chăng và phù hợp với hệ thốngnăng lượng mặt trời Ba loại ắc quy còn lại thì thường được sử dụng cho những ứng dụngđiện công suất nhỏ như máy tính sách tay, điện thoại, đài, đèn sách Ắc quy axit chì đượcphân loại gồm: ắc quy khô, ắc quy nước, ắc quy kín khí, ắc quy hở, ắc quy loại gel Mỗiloại ắc quy mặc dù đều có đặc điểm riêng nhưng đều có chung cấu tạo như Hình 2.1.

Hình 3.1: Cấu tạo cơ bản của ắc quy axit chì.

Bình ắc quy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗi ngăn ắc quy đơn

cho điện áp đầu ra là 2V Do đó, điện áp danh định ở đầu cực ắc quy sẽ là 12V Vỏ bình ắcquy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó mà người ta đúcbằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo thành các ngănriêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một ắc quy đơn Bản cực được làm từ hợp kim chì vàantimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững vàtạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản cực Phần nắp của ắc quy để che kín những bộphận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và các vật khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình,đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị tràn ra ngoài Dung dịch điện phân là axitsulfuric H2SO4 được pha chế từ axit nguyên chất và nước cất với nồng độ tùy thuộc vàothời tiết và điều kiện khí hậu.

3.2 Một số phương pháp sạc

3.2.1 Phương pháp nạp dòng không đổi

Đây là phương pháp nạp ắc quy sao cho trong quá trình nạp giữ ổn định dòng nạp ở mộtgiá trị không đổi Phương pháp nạp này cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mọi ắcquy, để sạc nhanh ắc quy

• Điều kiện nạp:

– Các ắc quy mắc nối tiếp nhau và thỏa mãn:

Trong đó: Naq là số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch nạp

– Phải có biến trở R để duy trì dòng nạp không đổi, do trong quá trình nạp suất điện

động của ắc quy thay đổi:

R=Un− 2, 0Naq

In

(3.2)

• Nhận xét:

– Ưu điểm: Thời gian sạc ngắn, đảm bảo tuổi thọ ắc quy.

– Nhược điểm: Sạc không no.

– Khắc phục nhược điểm: Có thể nạp theo 2 mức để giảm thời gian nạp Lúc đầu

nạp với dòng khoảng 0,3-0,6C Sau khi bắt đầu sôi nạp với dòng 0,1C

3.2.2 Phương pháp nạp áp không đổi

Đây là phương pháp nạp ắc quy giữ điện áp 2 đầu ắc quy không đổi trong suốt quá trìnhnạp

• Điều kiện nạp: Các ắc quy đơn mắc song song với nhau, hiệu điện thế trên mỗi ngănkhông đổi khoảng (2,3-2,5)V với sai số 3% Dòng điện nạp thay đổi, lúc đầu dòng khálớn sau đó giảm dần:

In=Un− En

Raq

• Nhận xét:

– Ưu điểm: Nạp no ắc quy, dòng giảm dần theo thời gian.

– Nhược điểm: Thời gian sạc kéo dài, vì vậy thường dùng để nạp bổ sung.

3.2.3 Phương pháp nạp kết hợp dòng và áp

Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên Nó tận dụng được những ưuđiểm của mỗi phương pháp

Quá trình nạp gồm 2 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Nạp theo chế độ ổn dòng với dòng ổn định bằng 0,2C cho tới khi bắt đầusôi Điện áp mỗi ngăn ắc quy trong quá trình này tăng từ từ tới 2,4V sau đó tăng nhanhtới 2,7V

• Giai đoạn 2: Nạp theo chế độ ổn áp trong 2-3h để phục hồi dung lượng ắc quy Giaiđoạn này sẽ ngắt khi dòng nạp về 0

Nhận xét:

Phương pháp nạp theo dòng áp khắc phục được các nhược điểm của 2 phương chế độnạp bám theo đường đặc tính có tác dụng nạp no, thời gian nạp ngắn

3.3 Quy trình sạc tiêu chuẩn

Mục 2.2 cho thấy trong 3 phương pháp sạc ắc quy axit chì, phương pháp sạc nạp dòng

áp tỏ ra ưu việt nhất Quy trình này khi đó sẽ tuân thủ theo trình tự mô tả trong Hình 2.2

Hình 3.2: Quy trình sạc ắc quy.

Quy trình sạc gồm 4 giai đoạn:

• Giai đoạn sạc mồi: dùng khi dung lượng ắc quy cạn về gần 0% Lúc này không thể cấpngay dòng điện lớn vào ắc quy nếu không sẽ làm hỏng ắc quy

• Giai đoạn sạc dòng lớn: đưa dòng điện lớn ổn định vào ắc quy để làm tăng tốc độ cácphản ứng hóa học bên trong ắc quy làm tăng nhanh dung lượng ắc quy Trong giaiđoạn này khoảng 80% dung lượng ắc quy được nạp và điện áp trên hai đầu ắc quy sẽtăng dần, đến một áp cho phép thì sẽ chuyển qua giai đoạn tiếp theo

• Giai đoạn sạc hấp thụ: lúc này các phản ứng đã gần đạt mức bão hòa, tuy nhiên, cácngăn khác nhau có mức độ bão hòa khác nhau nên cần đặt giữa 2 đầu cực ắc quy mộthiệu điện thế ổn định để các ngăn được sạc sâu và cân bằng nhau Trong giai đoạn nàykhoảng 20% dung lượng còn lại được nạp Dòng điện sạc sẽ giảm dần và giảm đến giátrị dòng nhỏ thì sẽ chuyển sang giai đoạn sạc duy trì

• Giai đoạn sạc duy trì: mặc dù các ngăn đã cân bằng nhau nhưng mật độ PbO2 ở bảncực dương có thể chưa đều Giai đoạn sạc duy trì sẽ áp đặt một điện áp không đổi lênhai đầu bản cực ắc quy nhằm làm đồng đều mật độ hóa chất tại các bản cực, nhiệm vụlàm phục hồi tính chất, chất lượng của ắc quy

Đối với giai đoạn sạc mồi, chỉ sử dụng khi ắc quy ở dung lượng quá thấp Thông thường

hơn 40% do đó giai đoạn một có thể không cần sử dụng.

3.3.1 Hiện tượng quá nạp

Trong quá trình nạp điện mà điện điện vượt qua thông số cho phép với ắc quy đều cóthể được gọi là quá nạp, do vậy hiện tượng quá nạp có thể xảy ra ngay khi ắc quy chưa đầyđiện Trong trường hợp ắc quy đã đầy 100% mà vẫn tiếp tục sạc với dòng lớn sẽ dẫn đến ắcquy bị nóng, gây ra trai ắc quy, giảm tuổi thọ ắc quy, thậm chí gây nổ ắc quy

3.3.2 Hiện tượng tự xả

Nếu ắc quy để không sạc thì ắc quy sẽ "tự xả" với quá trình chậm, ví dụ như nếu ô tô màkhông sử dụng trong một thời gian dài khoảng vài tháng thì thường sẽ không thể khởi độngdược do quá trình tự xả của ắc quy Tốc độ tự xả của ắc quy phụ thuộc vào nhiệt độ, kiểuloại ắc quy, độ tuổi và điều kiện môi trường Những ắc quy đã qua sử dụng lâu rồi thì tốc

độ tự xả sẽ lớn, hay những ắc quy hoạt động ở vùng nhiệt độ cao thì tốc độ tự xả cũng tăng.Những ắc quy mới thông thường tốc độ tự xả không vượt quá 5% trên 1 tháng Một số cáchsau có thể giúp ngăn ngừa hiện tượng tự xả của ắc quy:

• Giữ ắc quy ở nơi khô mát và trong hộp gỗ hoặc hộp không phải là kim loại

• Giữ mề mặt của ắc quy luôn sạch sẽ

• Giữ đầu cực của ắc quy luôn sạch và được bôi trơn

• Không được để ắc quy trong một thời gian dài mà không sạc, đặc biệt đối với ắc quyaxit chì, nếu để ở trạng thái dung lượng thấp trong một thời gian dài sẽ khiến khả năngtích trữ năng lượng giảm do thành phần hóa học thay đổi gọi là "sun phát hóa"

3.4 Sạc ắc quy kết hợp MPPT

Trong quá trình sạc ắc quy axit chì, để đảm bảo độ bền, tuổi thọ, bảo vệ quá dòng, quá

áp cho ắc quy cần phải trải qua ba giai đoạn như đã nêu ở mục trên Đặc biệt đối với hệthống pin mặt trời, khi công suất của PMT thay đổi theo điều kiện thời tiết, thì việc đảmbảo việc ổn dòng và đồng thời dò và bám công suất cực đại là vấn đề khá phức tạp

Trong đồ án này, phương án được đề suất là giai đoạn sạc ổn dòng sẽ được thay thế bằngviệc liên tục dò và bám công suất cực đại Vì trong giai đoạn này khoảng 80% dung lượngđược nạp vào ắc quy Sơ đồ cấu trúc được đưa ra ở Hình 3.3

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống sạc ắc quy bằng pin Mặt trời.

Hình 3.4: Quy trình sạc ắc quy bằng pin Mặt trời.

Trong đó thuật toán sạc sẽ lựa chọn và đưa ra được hệ thống sẽ làm việc ở ba giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Khi điện áp trên hai đầu ắc quy Vbat nhỏ hơn điện áp quá nạp Vovercharge

hệ thống làm việc ở chế độ MPPT (sử dụng bộ điều khiển MPPT)

• Giai đoạn 2: Khi điện áp trên hai đầu ắc quy chạm ngưỡng giới hạn (Vbat>= Vovercharge)

hệ thống sẽ ổn áp tại giá trị ngưỡng giới hạn này dùng bộ điều khiển điện áp V bPICal1

và ắc quy sẽ được sạc no

• Giai đoạn ba: khi dòng điện giảm đến ngưỡng dưới (Iout <= If loatstage), hệ thống sẽ ổn

áp ở mức thấp hơn so với điện áp ngưỡng để điền đầy các bản cực bằng bộ điều khiểnđiện áp V bPICal2

Cụ thể lưu đồ thuật toán được trình bày ở phụ lục

CHƯƠNG 4 ĐÈN LED

4.1 Tổng quan về chiếu sáng đèn LED

4.1.1 Giới thiệu về đèn LED

a) Lịch sử của đèn LED

LED, viết tắt của cụm từ Light Emitting Diode, tạm dịch là Diode phát quang, là cácDiode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như Diode,LED được cấu tạo từ một bán dẫn loại p ghép với một bán dẫn loại n Tương tự như bóngđèn tròn dùng sợi đốt nhưng không phải chiếu sáng bằng sợi đốt, đèn LED được coi là loạiđèn tiết kiệm điện năng nhất, tạo ra hiệu suất ánh sáng tốt nhất, tỏa nhiệt ít hơn so với cácthiết bị chiếu sáng thông thường

Đèn LED đã có mặt từ những thập niên 60, nhưng mà hầu hết chỉ dùng hiển thị thời giancủa đồng hồ báo thức hay dung lượng pin của máy ghi hình

Một thời gian dài, đèn LED đã không được dùng làm nguồn sáng bởi vì chúng chỉ choánh sáng đỏ, xanh lá cây và vàng mà không cho ánh sáng trắng Đến năm 1993, công tyhoá chất Nichia của Nhật Bản cho ra đời loại đèn LED xanh dương, là sự kết hợp giữa ánhsáng đỏ và xanh lá cây để cho ra ánh sáng trắng Sự kiện này đã mở ra một lĩnh vực mới vềcông nghệ LED

Đèn LED dựa trên công nghệ bán dẫn ngày càng tăng về độ chiếu sáng, hiệu suất và tuổithọ, giống như bộ xử lý của máy tính, phát triển ngày càng nhanh và giá thành ngày cànggiảm theo thời gian

b) Nguyên lý hoạt động của LED

Nguyên lý hoạt động của LED giống như nhiều loại diode bán dẫn khác và có đườngđặc tính Volt-Ampe như Hình 4.1

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác

toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn.

Tùy vào từng loại LED mà điện áp phân cực thuận khác nhau Đối với LED thường thìđiện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V; còn đối với LED siêu sáng thì điện áp phâncực thuận có thể lên tới 5V

Hình 4.1: Đặc tính Volt-Ampe của đèn LED [11].

Khi LED hoạt động bình thường thì cường độ dòng điện từ 10mA đến 50mA, còn vớiLED siêu sáng thì cường độ dòng điện có thể lên tới hơn 1A tùy vào cấu tạo thiết kế.c) Tính năng ưu việt của bóng đèn LED

Tiết kiệm điện: tiết kiệm mức thấp nhất Tiết kiệm khoảng 75% điện so với đèn chiếusáng thông thường, LED 5W có thể thay thế bóng sợi đốt 11W

Bảo vệ môi trường: do đặc điểm cấu tạo là tiếp nối bán dẫn nên LED không phát ra tiacực tím, không bức xạ tia hồng ngoại, phát nhiệt của ánh sánh thấp, không chứa thuỷ ngân

và những chất có hại nên không gây ô nhiễm môi trường

Độ bền và tuổi thọ cao: cao hơn từ 10-20 lần so với đèn compact và hơn khoảng 50 lầnđèn sợi đốt Do được sử dụng nhôm hợp kim bao phủ vừa có tác dụng tản nhiệt, vừa giúpbảo vệ đèn, chính vì vậy đèn có độ bền rất cao ngay cả khi rơi cũng không tạo ra các mảnh

vỡ như đèn compact hay đèn sợi đốt

Nhiệt độ làm việc thấp: nhiệt độ làm việc của bóng đèn LED cao hơn nhiệt độ môitrường khoảng 5–8oC, thấp hơn so với đèn huỳnh quang thông thường là khoảng 13–25oC

Độ an toàn: không nhấp nháy, hiển thị màu sắc tốt, có hiệu quả trong việc làm giảm mệtmỏi khi nhìn và bảo vệ mắt.

Chi phí đầu tư hiệu quả: mặc dù chi phí ban đầu của đèn LED cao nhưng xét trên tổngthể và lâu dài đèn LED mang lại đầu tư hiệu quả hơn so với đèn CFLs và đèn sợi đốt Vớiđiện áp đầu vào yêu cầu thấp hơn giúp tăng tuổi thọ bộ nguồn và thiết bị trong gia đình,văn phòng Sau khi hoàn vốn đầu tư, đèn LED vẫn tiếp tục sinh lợi hàng năm do tiết kiệmđiện và tuổi thọ lâu dài Điều này cũng đã được thể hiện trên Bảng 4.1, ta có thể thấy nếu

sử dụng với cường độ 12h/ngày trong vòng 3 năm thì tổng chi phí cho đèn LED là 361690VND, còn bóng đèn Compact thì tổng chi phí là 369518 VND Ta thấy, nếu như việc đầu tưtrong 3 năm thì tổng chi phí giữa 2 loại bóng là ngang nhau, nhưng nếu ta sử dụng đèn vớicường độ lớn hơn và thời gian sử dụng bóng đèn trong khoảng thời gian lớn hơn thì bóngđèn LED sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế

Khả năng ứng dụng năng lượng mặt trời cao: chính vì không yêu cầu cao về điện áp đầuvào và công suất thấp nên việc sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời thành vô cùng khảthi, đặc biệt đối với các vùng khó kéo đường điện tới nơi tiêu dùng

d) Ứng dụng của LED

Đèn LED được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như trang trí, đọc sách báo, chiếu sáng,quảng cáo Đặc biệt là quảng cáo ngoài trời, những nơi khó thay lắp, do có tuổi thọ cao hơnnhiều lần so với bóng đèn neon Đồng thời có nhiều màu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá,xanh da trời, màu hổ phách Theo đánh giá của các nhà sản xuất, đèn LED có tiềm năng rấtlớn và họ cũng xem đó là giải pháp chiếu sáng mới trong thế kỷ 21

4.1.2 Các ứng dụng tiêu biểu của LED

Nhờ vào những ưu việt kể trên nên tuy mới ra đời nhưng đèn LED đã phát triển mạnh

mẽ trên toàn thế giới và trên tất cả những lĩnh vực chiếu sáng

• Thiết bị chiếu sáng trong nhà:

– Đèn LED Downlight được ứng dụng trong chiếu sáng hàng lang hay tủ trưng bày

sản phẩm, các không gian nhỏ với mức công suất nhỏ trong khoảng 3-15W

– Đèn LED Tube ứng dụng cho chiếu sáng văn phòng, nhà ở với ánh sáng trắng tự

nhiên sẽ mang lại không khí thoải mái khi làm việc cũng như trong sinh hoạt.Bóng đèn loại này có mức công suất trong khoảng 10-30W

– Đèn LED Pannel ứng dụng trong chiếu sáng văn phòng, nhà hàng, khách sạn, các

suất trong khoảng 3-25W.

Hình 4.2: (a) Đèn LED Downlight (b) Đèn LED Tube (c) Đèn LED Pannel.

Hình 4.3: Đèn LED ngoài trời: (a) Đèn LED siêu sáng (b) Đèn LED Street.

• Thiết bị chiếu sáng ngoài trời:

– Đèn LED siêu sáng, LED pha ứng dụng cho chiếu sáng trong vườn, cổng, sân

khấu ngoài trời hay các công trình, kiến trúc lớn Chúng có khả năng chiếu sánghơn 50m với mức công suất đèn trong khoảng 100-200W

– Đèn LED Street ứng dụng cho chiếu sáng đường, khu trung cư đô thị, ký túc xá

với mức công suất trong khoảng từ 100-200W

– Đèn LED dây ứng dụng cho trang trí cho các khu khách sạn, khu vui chơi giải trí,

trang trí cho các lễ hội, hội nghị và các sự kiện lớn

4.1.3 Vai trò của thiết bị nguồn chiếu sáng đèn LED

Như vậy, từ sự đánh giá tổng quan ở trên ta thấy đèn LED đã và đang là một xu thế chiếusáng của tương lai, chúng sẽ được ứng dụng vào rất nhiều nơi, lĩnh vực vì tính ưu việt của

nó mang lại Nhưng để LED có thể chiếu sáng thì ta cần phải sử dụng bộ nguồn để chúng

có thể hoạt động được Các bộ nguồn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận hành, tuổi thọ củađèn, cũng như tính tiết kiệm năng lượng có nó mang lại Như vậy, với bộ nguồn cho LEDthì ta cần phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

• Về mặt kích thước và trọng lượng: các bộ nguồn cần phải đảm bảo tính cơ động caonên kích thước cần phải nhỏ gọn và trọng lượng bé

• Về mặt điều kiện làm việc: các bộ nguồn luôn phải được đóng kín nên yêu cầu về độtăng nhiệt của bộ nguồn cần phải đặc biệt quan tâm

• Về các chế độ bảo vệ: các bộ nguồn cần phải đảm bảo các yêu cầu bảo vệ như hở mạch,ngắn mạch, quá nhiệt, quá tải, ngược cực

• Về chế độ làm việc: do mục đích cuối cùng luôn là ánh sáng được ổn định mà cường

độ sáng của đèn luôn tỉ lệ với dòng điện qua nó (Luminous Flux-Forward Current) Vìvậy, ta cần bộ nguồn có dòng đầu ra ổn định và độ đập mạch thấp ánh sáng phát ra ổnđịnh và duy trì tuổi thọ của đèn LED

Như đã giới thiệu ở trên thì ta thấy ứng dụng của đèn LED là rất rộng nên kéo theo cácdạng đèn LED rất đa dạng do đó các bộ nguồn cũng phải đa dạng hóa cấu hình, tiêu chuẩn,yêu cầu theo Để đơn giản cũng như cụ thể hóa việc thiết kế nguồn cho LED hướng đếnchiếu sáng đèn vườn, đồ án đề xuất thiết kế bộ nguồn cho LED siêu sáng gồm 15 LEDtrong đó 5 hàng LED song song với mỗi hàng 3 LED nối tiếp có thông số yêu cầu như sau:

• Có khả năng ổn định dòng đầu ra: 1,75(A)

• Công suất: 18(W)

• Nhấp nhô dòng điện đầu ra: 5%

• Nhấp nhô điện áp đầu ra: 5%

Với các thông số đưa ra, hai ắc quy đầy có dung lượng 7Ah sẽ chiếu sáng nguồn LEDliên tục được trong 10 giờ

4.2 Quy trình sạc ắc quy kết hợp với chiếu sáng LED

Cũng như đã phân tích ở chương 1, đối với việc cung cấp nguồn cho tải LED Hệ thốngthiết kế cần đảm bảo các yêu cầu

• Cần có bộ điều khiển dòng giúp LED hoạt động với độ ổn định cao

Hình 4.4: Quy trình sạc ắc quy và thắp sáng LED.

Hình 4.4 đưa ra sơ đồ cấu trúc hệ thống đảm bảo các yêu cầu thiết kế đã nêu trên Trongđó:

• Dòng điện đầu ra của LED được đo về, thông qua bộ điều khiển dòng LED sẽ giúplàm LED làm việc tại giá trị dòng xác định mong muốn ứng với cường độ ánh sángmong muốn

• Thuật toán phân phối tải (Hình 4.5) được thêm vào đảm bảo thời điểm ban ngày hệthống luôn làm việc ở chế độ sạc ắc quy (đã phân tích ở chương 3) và khi về đêm, hệthống chuyển mạch làm việc ở chế độ chiếu sáng

Trong lưu đồ Hình 4.5 thể hiện khi có tín hiệu từ cảm biến ánh sáng làm biến LED =1thì hệ thống chuyển qua làm việc với bộ điều khiển dòng LED Iled_PIcontrol() với dòngđiện của LED Iled = Iledset

Ngược lại, khi phát hiện trời tối, cảm biến ánh sáng sẽ đưa biến LED về 0 và hệ thống

sẽ làm việc ở chế độ sạc ắc quy với hàm sacacquy() đã nêu ở chương 2

Hình 4.3: Đèn LED ngồi trời: (a) Đèn LED siêu sáng (b) Đèn LED Street.

• Thiết