BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ SẠC ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI Sinh viên thực hiện Phạm Minh Toàn MSSV 16009521 Trần Quốc Khải MSS[.]
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong những năm gần đây, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều phát minh mang lại lợi ích cho con người trong rất nhiều lĩnh vực Trong lĩnh vực Điện – Điện tử, đã xuất hiện các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử từ lâu Tuy nhiên các loại nhà máy điện này lại làm hủy hoại môi trường sống của con người, sinh ra rất nhiều khí độc, ô nhiễm Để giải quyết vấn đề đó, các loại hình năng lượng tái tạo đã xuất hiện như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sinh khối,… Loại năng lượng dễ tiếp cận và sử dụng cho gia đình, doanh nghiệp nhất chính là năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời có thể sử dụng để hòa vào điện lưới, hoặc sử dụng độc lập cho một hệ thống nào đó tùy vào nhu cầu và mục đích của sử dụng của cá nhân người sử dụng Hệ thống điện năng lượng mặt trời có thể giảm thiểu được phần nào số tiền phải chi trả cho hóa đơn điện hằng tháng, đồng thời con người có thể sử dụng một nguồn năng lượng sạch bất kể lúc nào muốn, ngay cả khi bị cắt điện từ lưới điện mà điện lực cung cấp
Pin năng lượng mặt trời có thể đưa thẳng điện vào ắc quy để lưu trữ, tuy nhiên dưới hình thức này thì năng lượng nhận được rất thấp, bị tổn hao phần lớn năng lượng mà tấm pin phát ra Để sử dụng được trọn vẹn nguồn năng lượng xanh này cần có các bộ sạc ắc quy từ pin năng lượng mặt trời
Chính vì sự cần thiết này, nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế thi công bộ sạc ắc quy từ năng lượng mặt trời” để giải quyết vấn đề trên.
Tầm quan trọng của đề tài
Bộ sạc ắc quy từ năng lượng mặt trời sử dụng nguyên lý của mạch tăng áp để điều chỉnh điện trở tiêu thụ sao cho bằng với điện trở nội của pin năng lượng, giúp pin năng lượng phát ra công suất tối đa, ít tổn hao nhất có thể
Vì vậy đề tài này là một vấn đề thiết yếu cho các hệ thống năng lượng mặt trời từ hộ gia đình cho đến công nghiệp.
Giới hạn đề tài
Trong giới hạn của đề tài này, nhóm chúng em sẽ tìm hiểu và thiết kế thi công:
Bộ sạc ắc quy từ pin mặt trời dựa theo nguyên lý của mạch tăng áp (boost converter) để hiệu chỉnh hiệu suất của pin năng lượng mặt trời.
Nội dung dự kiến
1 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
2 Nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp (boost converter)
3 Sử dụng vi điều khiển arduno
4 Thiết kế cấu trúc sơ đồ khối
5 Thi công phần cứng, phần mềm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Pin năng lượng mặt trời
2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời) hay pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 36 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo [1]
Hình 2.1 - Pin năng lượng mặt trời (Pin mặt trời) [2]
2.1.2 Điểm công suất cực đại
Hình 2 1 - Đặc tuyến pin năng lượng mặt trời
Các tế bào quang điện có mối quan hệ phức tạp (đường cong IV) giữa môi trường hoạt động của chúng và công suất tối đa mà chúng có thể tạo ra Đối với mỗi điều kiện hoạt động nhất định, các ô có một điểm vận hành duy nhất trong đó các giá trị của dòng điện (I) và điện áp (V) của ô dẫn đến công suất tối đa Các giá trị này tương ứng với một điện trở tải cụ thể, bằng với V/I theo quy tắc của định luật Ohm Điểm này được gọi là điểm công suất tối đa (MPP) và tương ứng với "đầu gối" của đường cong [3]
Theo định luật Ohm ta có:
Ta lại có phương trình công suất:
Nhìn vào phương trình công suất, dễ dàng thấy rằng cần có điện áp và dòng điện lớn nhất để tạo ra công suất cực đại Theo định luật Ohm, dòng điện và điện áp có mối liên hệ đến điện trở trong mạch Nếu không có điện trở (R = 0) thì cũng không có điện áp (V = 0) Ngược lại, nếu điện trở quá lớn thì dòng điện sẽ trở nên rất nhỏ và làm giảm công suất đầu ra
Từ các phương trình cơ bản này có thể thấy, cần một điện trở có giá trị hợp lý trong mạch, đảm bảo sự kết hợp của điện áp và dòng điện để đạt được công suất đầu ra tối đa [4]
Mạch tăng áp (boost converter)
2.2.1 Sử dụng mạch tăng áp trong thiết kế thi công bộ sạc ắc quy
Hình 2 2 - Pin mặt trời với tải Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời thay đổi liên tục theo nhiệt độ, độ rọi,… do đó giá trị nội trở của tấm pin sẽ không cố định Đặc điểm của mạch tăng áp là với mỗi giá trị điện áp đầu ra khác nhau, chúng ta có một điện trở tiêu thụ khác nhau Điện áp đầu ra của mạch tăng áp có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tần số đóng cắt của thiết bị đóng cắt
Do đó, cần lấy nguồn điện của pin mặt trời cấp vào mạch tăng áp trước rồi mới qua tải, như vậy sẽ kiểm soát được điện trở tiêu thụ và giúp tấm pin đạt hiệu suất cao nhất có thể
2.2.2 Giới thiệu mạch tăng áp (boost converter)
Hình 2 3 - Mạch tăng áp (boost converter)
Mạch tăng áp (boost converter) là một trong những mạch chuyển đổi DC – DC đơn giản nhất Nó có thể tạo ra một điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào [5] Cấu trúc mạch tăng áp rất đơn giản, chỉ gồm cuộn cảm, diode, tụ điện và một thiết bị đóng cắt
2.2.3 Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp (Boost converter)
Hình 2 4 - Mạch tăng áp – Bước 1
Bước 1: Tại bước này gần như không có gì xảy ra, tụ điện đầu ra được nạp một điện áp bằng với điện áp nguồn điện đầu vào trừ đi điện áp rơi trên diode
Hình 2 5 - Mạch tăng áp – Bước 2
Bước 2: Bây giờ là thời điểm để đóng thiết bị đóng cắt lại Lúc này mạch phần cuộn cảm bị ngắn mạch, nhờ có cuộn cảm nên dòng điện tăng lên khá chậm, đồng thời xuất hiện từ trường xung quanh cuộn cảm, điện áp của nguồn điện phát ra được tích trữ trên cuộn cảm Lưu ý cực tính của điện áp trên cuộn cảm
Hình 2 6 - Mạch tăng áp – Bước 3
Bước 3: Thiết bị đóng cắt mở ra và dòng điện đến cuộn cảm bị giảm đột ngột
Bản chất của cuộn cảm là giữ cho dòng điện ổn định, vì vậy nó đáp ứng lại sự thay đổi dòng điện đột ngột này bằng cách tạo ra một điện áp lớn với cực tính ngược lại của điện áp ban đầu được cấp vào bằng cách sử dụng năng lượng được lưu trữ trong từ trường
Nhìn vào các kí hiệu phân cực, có thể thấy lúc này cuộn cảm như một nguồn áp được mắc nối tiếp với điện áp cung cấp, dẫn đến điện áp nạp vào tụ điện lúc này sẽ lớn hơn điện áp của nguồn điện phát ra
Bằng cách này chúng ta đã có thể đưa điện áp đầu ra cao hơn so với điện áp đầu vào [5].
Vi điều khiển Arduino
2.3.1 Sử dụng Arduino trong bộ sạc ắc quy
Trong đề tài lần này, chúng em sử dụng vi điều khiển Arduino để đọc các tín hiệu cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, điều khiển mạch tăng áp, xuất thông số ra LCD,… Nhìn chung, vi điều khiển Arduino đóng vai trò là trung tâm điều khiển, rất quan trọng trong đề tài
2.3.2 Giới thiệu vi điều khiển Arduno
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 2 7 - Một số loại Arduino [6]
THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ SẠC ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI
Thiết kế sơ đồ khối
Hình 3 1 - Sơ đồ khối bộ dò tìm điểm công suất cực đại
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Màn hình LCD sẽ hiển thị giá trị thông số công suất phát ra của tấm pin, công suất nạp vào ắc quy, giá trị độ rộng xung,…để người sử dụng có thể quan sát trực quan hơn
Ngoài ra người dùng có thể theo dỏi tình trạng sạc ắc quy thông qua mạch Sim 900a.
Mạch tăng áp Boost converter
Hình 3 2 – Mạch tăng áp (boost converter)
Mạch tăng áp (boost converter) bao gồm các linh kiện cơ bản:
Trong mạch này, nhóm chúng em lựa chọn mosfet IRFP250N để sử dụng cho thiết bị đóng cắt Với đặc điểm thời gian chuyển mạch nhanh, đáp ứng tần số cao và điện áp rơi thấp
Sử dụng mạch ở tần số cao sẽ giảm thời gian dòng điện lớn đi qua các linh kiện, từ đó giảm được tình trạng tỏa nhiệt, giảm được hao phí công suất
Các thông số cơ bản của Mosfet IRFP250N:
Hình 3 4 – Sơ đồ chân Mosfet IRFP250N [9]
3.2.1.2 Cuộn cảm Điện áp cực đại của tấm pin tại thời điểm có công xuất cực đại 𝑉 𝑁 = 17𝑉 Điện áp hở mạch của tấm pin 𝑉 𝑜𝑐 = 21.6𝑉
Chọn Pin mặt trời có công suất pin 𝑃 = 55𝑊, điện áp cực đại 𝑈 𝑠 = 17𝑉
Ta có quan hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra
Tính toán dựa trên độ rộng xung, tìm được các điện áp đầu ra tương ứng ghi trong bảng 3.1
Bảng 3 1 – Giá trị điện áp đầu ra tương ứng Để đảm bảo về mặt an toàn cần phải giới hạn điện áp đầu ra, tương ứng phải giới hạn độ rộng xung D Chỉ chọn D nằm trong khoảng từ 0.1 đến 0.7
P in = U s I s = U s I L Cân bằng công suất
Từ đó tính được giới hạn trên và giới hạn dưới của 𝐼 𝐿
2L Yêu cầu dòng điện qua cuộn cảm phải liên tục nên 𝐼 𝑚𝑖𝑛 phải dương Do đó, ta có ranh giới để dòng qua cuộn cảm liên tục và không liên tục
2f Giá trị cuộn cảm tìm được thông qua công thức 𝐿𝑚𝑖𝑛 với độ rộng xung D = 0.3, tần số ƒ = 31372.55Hz và tải R = 15 ohm
Thế vào công thức tìm được
L min = 35μH Chọn cuộn cảm có cảm ≥ 35μH
Cũng như thiết bị đóng cắt, diode trong mạch tăng áp (boost converter) cũng phải hoạt động ở tần số cao, đáp ứng thời gian chuyển mạch nhanh và điện áp rơi thấp
Chúng em chọn diode MBR10200CT để sử dụng cho mạch tăng áp này
Các thông số cơ bản của diode MBR10200CT:
Hình 3 6 - Sơ đồ chân Diode MBR10200CT [11]
3.2.1.4 Tụ điện Để điện áp đầu ra hoạt động ổn định thì độ nhấp nhô điện áp đầu ra (Vpeak-peak) không vượt quá 1%:
Chọn tụ điện có điện dung lớn hơn 64μF để thỏa mãn thông số tính toán
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp (boost converter)
Hình 3 7 – Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp (boost converter)
Hình 3 8 – Sơ đồ mạch tăng áp trên proteus
Mạch Opto cách ly
Mạch cách ly Opto có công dụng cách ly tín hiệu PWM từ Arduino đưa ra với tín hiệu đưa vào mạch tăng áp (boost converter), nhằm giảm nhiễu và bảo vệ cho Arduino
Sử dụng Opto TLP250 để cách ly tín hiệu PWM từ Arduino
Hình 3 10 – Sơ đồ chân Opto TLP250 [13]
Các thông số cơ bản Opto TLP250:
Thời gian chuyển mạch 1às (max)
Điện áp cách ly: 2500𝑉 𝑟𝑚𝑠 (min)
Hình 3 11 – Sơ đồ nguyên lý mạch Opto cách ly
Hình 3 12 – Sơ đồ mạch opto trên proteus
Thiết kế sơ đồ mạch trên phần mềm Proteus
Hình 3 13 – Sơ đồ nguyên lý mạch trên phần mềm Proteus
Hình 3 14 – Sơ đồ mạch in trên phần mềm Proteus
Hình 3 15 – Sơ đồ mạch được mô phỏng
Các module sử dụng
Chúng em lựa chọn vi điều khiển Arduino Uno R3 để sử dụng Arduino Uno R3 có kích thước nhỏ gọn, giá thành vừa phải, cũng như có đủ các ngõ vào số (Digital Input), ngõ vào tương tự (Analog Input), ngõ ra số (Digital Output), ngõ ra tương tự (Analog Output), ngõ ra cổng nối tiếp (Serial Conection),…
3.5.1.2 Thay đổi tần số ngỏ ra tương tự của Arduino
Tần số mặc định của các ngõ ra tương tự (Analog Output) của vi điều khiển Arduino chỉ nằm ở mức dưới 1kHz, cụ thể:
Tần số PWM mặc định của chân D3 & D11: 490.20 Hz.
Tần số PWM mặc định của chân D5 & D6: 976.56 Hz.
Tần số PWM mặc định của chân D9 & D10: 490.20 Hz [15]
Trong ứng dụng lần này, cần sử dụng ngỏ ra tương tự (Analog Output) của Arduino ở tần số cao (khoảng vài chục kHz) Do đó, cần đưa tần số của các ngỏ ra này lên cao hơn Để thay đổi tần số này rất đơn giản, chúng ta chỉ cần thêm một dòng mã lệnh trước khi sử dụng Mã lệnh cụ thể của các chân ngõ ra PWM được thể hiện ở Bảng 3.2
Bảng 3 2 – Mã lệnh thay đổi tần số ngõ ra tương tự của Arduino Uno R3 [15]
3.5.2 Module cảm biến điện áp
Hình 3 17 – Cảm biến điện áp DC [17]
Điện áp phạm vi đầu vào: DC 0 – 25V
Điện áp phạm vi phát hiện: DC 0.02445V – 25V [17]
Hình 3 18 – Sơ đồ cảm biến điện áp [18]
3.5.3 Cảm biến dòng điện ACS712
Hình 3 19 – Cảm biến dòng điện ACS712 [19]
Độ nhạy đầu ra từ 63~190mV/A
Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp
Độ trễ đầu ra để đỏp ứng với đầu vào là 5às
Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ [19]
Hình 3 20 - Sơ đồ cảm biến dòng điện ACS712 [19]
Bảng 3 3 – Sơ đồ chân LCD 20×4 [21]
3.5.5 Module chuyển đổi I2C cho LCD
Có thể thấy, để sử dụng LCD 20x4 cần tối thiểu 16 chân trên vi điều khiển Arduino Nếu sử dụng như vậy ta sẽ không đủ ngõ vào/ra để sử dụng
Module chuyển đổi I2C cho LCD giải quyết vấn đề này một cách dễ dàng Thay vì sử dụng tối 16 chân, bây giờ ta chỉ cần sử dụng 2 chân trên vi điều khiển Arduino (Tx
& Rx) để kết nối với LCD
Hình 3 23 – Sơ đồ kết nối Module I2C với Arduino [23]
Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
Giao tiếp: I2C địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt tích hợp biến trở
Module relay với đặc tính có thể đóng cắt nguồn điện AC hoặc DC công suất cao được sử dụng trong hệ thống để bảo vệ cho người dùng, tránh đưa điện áp tới đầu ra khi không sử dụng
Module relay 1 kênh nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với vi điều khiển Arduino, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper
Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO (thường mở) và COM (chân chung) được cách ly hoàn toàn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC
Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.
Relay mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A.
Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper.
Kích thước: 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in (5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm).
Thiết kế phầm mềm
3.6.1 Thuật toán MPPT P&O Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất
Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại
Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất đó (điểm MPP) [26]
Hình 3 25 – Lưu đồ thuật toán P&O Để dễ dàng điều khiển, chúng em sẽ điều chỉnh một số thông số trong thuật toán để phù hợp với phần cứng sử dụng trong mạch
Hình 3 26 – Lưu đồ thuật toán P&O sử dụng
Nguyên lý của lưu đồ này rất đơn giản, đầu tiên đo điện áp và dòng điện của tấm pin, tính giá trị công suất Sau đó tính P và xét ΔP âm hay dương Tiếp theo, tính V và xét ΔV âm hay dương Từ đó điều chỉnh tăng hoặc giảm độ rộng xung cho phù hợp Sau khi điều chỉnh độ rộng xung (D), lưu lại giá trị hiện tại và tiếp tục thu thập giá trị dòng điện và giá trị điện áp mới
3.6.2 Lập trình vi điều khiển Arduino
Hình 3 27 – Lưu đồ chương trình điều khiển Arduino
Bắt đầu, Arduino sẽ cho phép LCD khởi tạo Sau đó tiến hành đo dòng điện, điện áp đưa vào thuật toán MPPT và cuối cùng là xuất kết quả lên LCD và kết thúc chương trình
3.6.2.1 Lập trình đọc giá trị điện áp từ cảm biến điện áp
Hình 3 28 – Lưu đồ đo điện áp pin mặt trời
Sau khi nhận tín hiệu Analog từ kênh A0 của Arduino, tín hiệu đó được chuyển thành điện áp trong khoảng từ 0 -5 V Sau đó điện áp mà cảm biến đo được sẽ được lấy giá trị trung bình trong 10 lần đo Kết quả sau cùng được chuyển về giá trị điện áp thực tế
Chương trình đọc giá trị điện áp PV:
Hình 3 29 – Lưu đồ đo điện áp ắc quy
Sau khi nhận tín hiệu Analog từ kênh A2 của Arduino, tín hiệu đó được chuyển thành điện áp trong khoảng từ 0 -5 V Sau đó điện áp mà cảm biến đo được sẽ được lấy giá trị trung bình trong 10 lần đo Kết quả sau cùng được chuyển về giá trị điện áp thực tế trên điện trở 1kΩ, sau đó tiếp tục chuyển về điện áp thực tế đầu ra
Chương trình đọc giá trị điện áp ắc quy:
3.6.2.2 Lập trình đọc giá trị dòng điện từ cảm biến dòng điện
Hình 3 30 – Lưu đồ đo dòng điện pin mặt trời
Sau khi nhận tín hiệu Analog từ kênh A1 của Arduino, tín hiệu đó được chuyển thành dòng điện trong khoảng từ 0 - 5 A Sau đó dòng điện mà cảm biến đo được sẽ được lấy giá trị trung bình trong 10 lần đo Kết quả sau cùng được chuyển về giá trị dòng điện thực tế của PV
Chương trình đọc giá trị dòng điện PV:
Hình 3 31 – Lưu đồ đo dòng điện ắc quy
Sau khi nhận tín hiệu Analog từ kênh A1 của Arduino, tín hiệu đó được chuyển thành dòng điện trong khoảng từ 0 -5 A Sau đó dòng điện mà cảm biến đo được sẽ được lấy giá trị trung bình trong 10 lần đo Kết quả sau cùng được chuyển về giá trị dòng điện thực tế của PV
Chương trình đọc giá trị dòng điện ắc quy:
3.6.2.3 Lập trình xuất dữ liệu ra LCD 20×4
Do sử dụng module I2C cho LCD nên ta phải tải và sử dụng thư viện của module I2C
Cài đặt tham số màn hình Ở đây ta khai báo địa chỉ cho LCD là “0x27” và tham số LCD là “20,4”
Các câu lệnh xuất ra LCD các thông số: dòng điện đầu vào, điện áp đầu vào, công suất đầu vào, dòng điện đầu ra, điện áp đầu ra, công suất đầu ra, loại ắc quy (12/24V), dung lượng ắc quy,…
Chương trình hiển thị trên LCD:
3.6.2.4 Lập trình thuật toán MPPT P&O
Hình 3 32 – Lưu đồ thuật toán MPPT P&O
Chương trình thuật toán MPPT P&O:
3.6.2.5 Lập trình đóng cắt bảo vệ ắc quy
Hình 3 33 – Lưu đồ đóng cắt relay
Chương trình đóng cắt relay:
3.6.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Bước 1: Cảm biến điện áp đầu vào, cảm biến dòng điện đầu vào đọc giá trị điện áp, dòng điện và đưa tín hiệu về vi điều khiển Arduino Arduino đọc tín hiệu, xử lý và xuất giá trị điện áp, dòng điện, công suất tấm pin ra LCD Module relay sẽ hở ra, cắt không cho điện áp đi đến đầu ra của hệ thống, giúp bảo vệ an toàn cho ắc quy và người sử dụng
Bước 2: Cảm biến điện áp đầu ra đưa tín hiệu vào vi điều khiển Arduino Arduino đọc giá trị điện áp đầu ra, nhận biết xem có tải hay không và nếu có tải thì loại ắc quy sử dụng là 12V Sau đó hiển thị thông tin đầu ra lên LCD (không tải/ắc quy 12V)
Bước 3: Nếu đầu ra không có tải, quay lại Bước 1 Nếu đầu ra có tải, module relay sẽ đóng lại, cấp điện đến đầu ra của hệ thống
Bước 4: Vi điều khiển Arduino sẽ xử lý thuật toán MPPT P&O Sau khi xử lý xong, Arduino xuất tín hiệu độ rộng xung ra mạch opto cách ly Mạch opto tiếp tục đưa tín hiệu độ rộng xung này đến mạch tăng áp (boost converter) giúp mạch tăng áp hoạt động
Bước 5: Cảm biến dòng điện đầu ra, cảm biến điện áp đầu ra đọc giá trị và đưa tín hiệu về Arduino Arduino đọc tín hiệu, xử lý và xuất ra LCD giá trị điện áp, dòng điện, công suất đang nạp vào ắc quy
Kết quả
Chương trình hệ thống được đặt ở Phụ lục cuối báo cáo này
Thực hiện đo đạc ở tình trạng nắng không tốt, trời nhiều mây Sử dụng pin mặt trời công suất 55W, ắc quy 6Ah Kết quả đo đạc được trình bày bên dưới
Kết quả thực tế đo đạc trong thời gian ngắn:
Hình 3 34 – Đồ thị điện áp pin mặt trời theo thời gian
Hình 3 35 – Đồ thị dòng điện pin mặt trời theo thời gian
Hình 3 36 – Đồ thị công suất pin mặt trời theo thời gian
Trong 2 giây đầu tiên, lúc này hệ thống đang sạc trực tiếp chưa có sự can thiệp của thuật toán MPPT Vậy nên, điện áp tấm pin mặt trời bị ắc quy kéo xuống bằng với điện áp ắc quy khoảng 11 – 12 V, dòng sạc cũng không cao Đến giây thứ 3 trở đi, MPPT đã tham gia và dò được điểm làm việc cực đại Điện áp và dòng điện Pin mặt trời lúc này tăng lên để làm việc ở điểm cực đại, công suất cũng tăng theo
Hình 3 37 – Đồ thị điện áp ắc quy theo thời gian
Hình 3 38 – Đồ thị dòng điện ắc quy theo thời gian
Hình 3 39 – Đồ thị công suất ắc quy
Cũng như trên, trong 2 giây đầu tiên, chưa có sự can thiệp của MPPT thì dòng và áp của ắc quy bằng với dòng và áp của PV (do sạc trực tiếp) Từ giây thứ 3 trở đi, khi MPPT hoạt động, dòng và áp đã có sự thay đổi, tăng lên ở điểm làm việc cực đại kéo công suất cũng tăng lên theo
Hình 3 40 – Đồ thị công suất pin và công suất ắc quy theo thời gian
Kết quả cho thấy thuật toán đang làm việc rất tốt Công suất pin mặt trời đang đáp ứng rất tốt đối với tải
Kết quả thực tế đo đạc trong 1 giờ 30 phút:
Hình 3 41 – Đồ thị điện áp pin mặt trời theo thời gian
Hình 3 42 – Đồ thị dòng điện pin mặt trời theo thời gian
Hình 3 43 – Đồ thị công suất pin mặt trời theo thời gian
Hình 3 44 – Đồ thị điện áp ắc quy theo thời gian
Hình 3 45 – Đồ thị dòng điện ắc quy theo thời gian
Hình 3 46 – Đồ thị công suất ắc quy theo thời gian
Hình 3 47 – Đồ thị công suất pin mặt trời và ắc quy
Hình 3 48 – Các cảm biến dòng điện và cảm biến điện áp
Hình 3 49 – Mạch tăng áp (Boost converter)
Mạch tăng áp (Boost converter) là mạch quan trọng trong bộ sạc ắc quy, chúng em đã cố gắng thiết kế, thi công một cách chính xác, nhỏ gọn, an toàn
Hình 3 50 – Mạch relay ngắt tải
Hình 3 51 – Công suất pin mặt trời và công suất nạp ắc quy lúc hoạt động
Khi sạc ắc quy, LCD sẽ hiển thị điện áp, dòng điện, công suất của pin mặt trời và ắc quy Ngoài ra, trên LCD còn hiển thị dung lượng ắc quy, giúp người sử dụng quan sát dễ dàng thuận tiện cho việc theo dõi trong quá trình sạc ắc quy
Hình 3 52 – Trạng thái hoạt động không tải
Khi không có ắc quy cấm vào đầu ra của mạch khi đó LCD sẽ hiện không tải, lúc này mạch boost không hoạt động đảm bảo an toàn cho người dùng
Hình 3 53 – Sản phẩm hoàn thiện
Cuối cùng chúng e đã thiết kế và thi công thành công mạch sạc ắc quy từ pin mặt trời thành sản phẩm hoàn thiện nhất