Tóm tắt nội dung đồ án Đồ án tốt nghiệp của em nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mạchđiện sử dụng MOSFET công suất sử dụng cho hệ đo đặc trưng I-V của modulepin quang điện mặt trời
TỔNG QUAN VỀ PIN QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI
Mở đầu
Năng lượng tái tạo ngày càng trở thành nguồn năng lượng chủ yếu trên toàn cầu, với hơn 30 quốc gia hiện đang sử dụng và đáp ứng hơn 20% nhu cầu năng lượng của mình Ông Dave Jones, Giám đốc Phân tích Toàn cầu của Ember, đã nhấn mạnh tầm quan trọng của năng lượng tái tạo trong bối cảnh hiện tại.
Từ năm 2000, năng lượng tái tạo chỉ chiếm 19% tổng sản lượng điện toàn cầu, nhưng đến năm 2023, con số này đã tăng lên hơn 30% Nếu tính cả điện hạt nhân, thế giới đã sản xuất 40% điện năng từ nguồn carbon thấp Sự gia tăng đáng kể của các dự án đầu tư năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đã đóng góp vào sự tăng trưởng công suất trong năm 2023 Với đà phát triển này, toàn cầu có khả năng đạt được mục tiêu tăng gấp 3 lần công suất năng lượng tái tạo vào năm 2030 theo thỏa thuận khí hậu COP28 Dubai.
Hệ thống quang điện mặt trời (PV) chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng Mặt trời thành điện, đóng vai trò quan trọng trong năng lượng tái tạo toàn cầu Mặc dù phát triển chậm trong những năm cuối thế kỷ 20, lĩnh vực điện mặt trời đã bùng nổ trong 5 năm qua, với năng lượng mặt trời trở thành nguồn điện tăng trưởng nhanh nhất năm 2023 Trong năm này, điện mặt trời sản xuất gấp đôi so với điện than, chiếm 10% sản lượng điện hằng năm ở 33 quốc gia, nổi bật là Chile (30%), California (28%), Úc (17%) và Hà Lan (17%) Trung Quốc dẫn đầu thế giới về sản lượng điện mặt trời, chiếm 36% tổng sản lượng toàn cầu, nhưng chỉ 6% trong tổng sản lượng điện quốc gia.
Việt Nam đang chuyển đổi sang năng lượng tái tạo để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng, dự kiến tăng từ 5-7% mỗi năm trong tương lai Khi các dự án thủy điện lớn đã khai thác tối đa và các nhà máy nhiệt điện than gặp áp lực về môi trường, phát triển năng lượng mặt trời trở thành giải pháp hợp lý cho Việt Nam trong những năm tới.
Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng phát triển điện mặt trời lớn, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình đạt 5kWh/m²/ngày và số giờ nắng từ 1.700 đến 2.500 giờ mỗi năm, theo Quy hoạch điện.
Việt Nam đặt mục tiêu loại bỏ dần sản xuất điện than vào năm 2050 và nâng công suất điện mặt trời lên 34%, tăng từ 23% vào năm 2022 Quy hoạch điện cũng dự báo năng lực lưu trữ năng lượng sẽ đạt 300 MWh vào năm tới.
Năm 2023, tổng công suất năng lượng tái tạo của Việt Nam đạt 21,6 GW, giữ vị trí dẫn đầu Đông Nam Á về công suất lắp đặt điện mặt trời Tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo vẫn còn rất lớn, trong khi nhiên liệu hóa thạch vẫn chiếm gần một nửa sản lượng điện của cả nước.
Hình 1.1: Sản lượng điện sản xuất trong Quý 1/2024 của Việt Nam Nguồn: EVN
Theo số liệu của Cơ quan Năng lượng tái tạo Quốc tế (IRENA), trong năm
2023, năng lượng mặt trời chiếm hơn một phần ba tổng công suất nguồn năng lượng tái tạo lắp đặt tại Việt Nam.
Hình 1.2: Công suất lắp đặt năng lượng tái tạo của Việt Nam ngang tầm các nước phát
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng bền vững giúp giảm quá tải điện quốc gia và giảm lượng điện nhập khẩu Việt Nam đã nhập khẩu 3,1% nhu cầu điện từ Trung Quốc và Lào vào năm 2016 và dự kiến sẽ tiếp tục nhập khẩu hơn 2% trong những năm tới, gây tốn kém ngân sách Sử dụng điện từ pin quang điện không chỉ giảm phụ thuộc vào điện nhập khẩu mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Năng lượng mặt trời mang lại lợi thế lớn về môi trường nhờ vào việc cung cấp nguồn năng lượng sạch, không ô nhiễm và không phát thải carbon dioxide trong quá trình sản xuất điện Việc ứng dụng năng lượng mặt trời cũng giúp giảm thiểu việc khai thác các nguồn năng lượng hữu hạn như than đá và dầu mỏ.
Phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam không chỉ tạo ra điện mà còn mang lại hàng trăm nghìn việc làm cho người dân địa phương, đặc biệt là lao động phổ thông Việc xây dựng và vận hành các nhà máy điện mặt trời cần nguồn nhân lực lớn, và các công ty nước ngoài thường ưu tiên tuyển dụng lao động tại chỗ Theo nghiên cứu, tiềm năng kỹ thuật điện mặt trời mái nhà của Việt Nam vượt quá 140 GW, trong đó riêng các khu công nghiệp hiện có và quy hoạch có thể đạt gần 20 GW nếu mỗi khu cho phép lắp đặt 50 MWp.
Việc sử dụng pin quang điện mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là tiết kiệm chi phí và cung cấp điện một cách tiện lợi cho các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo, từ đó nâng cao chất lượng đời sống của người dân tại những khu vực này.
Công suất điện của tấm pin quang điện mặt trời phụ thuộc vào điện áp và dòng điện do các phần tử quang điện tạo ra Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng quang điện của module bao gồm cường độ bức xạ, nhiệt độ, vĩ độ, và góc tới của bức xạ Để đo lường và tính toán, các thông số quan trọng như dòng ngắn mạch (Isc), dòng điện cho công suất cực đại (Imp), điện áp hở mạch (Voc), điện áp cho công suất cực đại (Vmp), hệ số điền đầy (FF), công suất cực đại và hiệu suất của module được sử dụng Việc xác định đường cong đặc trưng dòng điện-điện áp (I-V) từ không tải đến ngắn mạch giúp đánh giá hiệu suất của PV module Ngoài ra, xác định vị trí của điểm công suất cực đại (giao nhau của Ipm và Vpm) là cần thiết Mặc dù các nhà sản xuất tấm pin quang điện công bố đặc tuyến đường cong I-V, việc kiểm tra và so sánh giá trị thực tế với giá trị công bố là rất quan trọng khi đưa vào sử dụng.
Đặc trưng I-V (hình 1.3) thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp của module quang điện, giúp phát hiện bất thường trong hoạt động của hệ thống điện mặt trời Điện áp hở mạch (Voc) là điện áp tối đa mà tấm pin quang điện tạo ra khi nhận bức xạ từ mặt trời mà không có dòng điện chạy trong mạch ngoài Đây là thông số quan trọng, cho phép xác định giới hạn tối đa của tấm pin trong một dãy có thể kết nối vào bộ biến tần hoặc hệ thống điều khiển sạc.
Dòng điện ngắn mạch (Isc) là dòng điện tối đa mà tấm pin mặt trời có thể sản sinh khi các điện cực âm và dương bị đoản mạch, điều này rất quan trọng để xác định dòng điện mà các thiết bị như inverter hay bộ điều khiển sạc có thể sử dụng Điểm công suất cực đại (Pmax) là giá trị công suất tối đa của module quang điện, được tính bằng tích của dòng điện và điện áp trên đường cong IV Biến tần sẽ điều khiển để tấm pin hoạt động tại điểm công suất cực đại (MPPT), nơi hệ thống sinh ra công suất cao nhất, tương ứng với điểm cong lớn nhất trên đồ thị.
Công thức Pmax = Ipm x Vpm thể hiện công suất tối đa, trong đó Vpm là điện áp tại điểm hoạt động tối đa, cho thấy công suất đầu ra tốt nhất của hệ thống Điện áp này thường được xác định khi hệ thống pin được kết nối với MPPT, như điều khiển MPPT hoặc kích hòa lưới, trong điều kiện tiêu chuẩn.
Tổng quan về pin quang điện mặt trời
1.2.1 Module quang điện mặt trời Silic
Module quang điện mặt trời được cấu tạo từ các tế bào quang điện (PV solar cell), là thiết bị bán dẫn với nhiều diode p-n Khi hấp thụ photon từ ánh sáng mặt trời, các diode này tạo ra dòng quang điện cho mạch ngoài Các module được ghép nối thành chuỗi và kết nối với bộ chuyển đổi (inverter) để hòa vào mạng lưới điện hoặc phục vụ cho các ứng dụng cụ thể.
Hình 1.4: Tế bào quang điện mặt trời Silic đơn tinh thể và đa tinh thể
Pin quang điện mặt trời sản xuất điện trực tiếp từ bức xạ mặt trời mà không gây hại cho môi trường Là thiết bị bán dẫn không có bộ phận chuyển động, pin quang điện giúp giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì cho hệ thống.
Pin quang điện mặt trời ngày càng phổ biến như một nguồn năng lượng sạch, với ưu điểm lắp đặt và vận hành đơn giản, dễ tháo lắp và không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như ảnh hưởng đến lưới điện do sự thay đổi điện áp và sóng hài khi cường độ chiếu sáng thay đổi Đặc biệt, pin quang điện có thể ứng dụng ở nhiều nơi, nhất là vùng sâu, vùng xa và hải đảo, nơi mà lưới điện quốc gia chưa tiếp cận.
1.2.2 Cấu tạo của module quang điện mặt trời
Cấu tạo của một module quang điện mặt trời, bao gồm các lớp vật liệu chính được thể hiện trong hình 1.5
Hình 1.5: Cấu tạo module quang điện mặt trời
1 Kính chịu lực phủ màng chống phản quang.
2 Lớp bao gồm các tế bào quang điện: Đơn/đa tinh thể Silic, đây là thành phần chính của pin và lớp này thường rất mỏng (200 micromet).
3 Tấm nền làm giá đỡ và bảo vệ cho lớp bán dẫn silic.
Ngoài ra còn có lớp keo EVA gắn các lớp vật liệu với nhau
Hình 1.6: Module PV và sự hình thành tấm pin quang điện mặt trời từ các tế bào PV
1.2.3 Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Tế bào quang điện được làm từ vật liệu silic có hai loại chính: đơn tinh thể và đa tinh thể Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện được minh họa trong hình 1.6.
Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của một tế bào quang điện
Nguyên lý hoạt động của hệ thống bao gồm hai bước chính: đầu tiên là hấp thụ photon ánh sáng, kích thích điện tử và tách điện tích, sau đó là vận chuyển điện tử Trong trạng thái bình thường, điện tử có năng lượng ở mức thấp E1 Khi hệ thống được chiếu sáng, photon ánh sáng mang năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck và v là tần số ánh sáng) sẽ được điện tử hấp thụ, dẫn đến việc chuyển điện tử lên mức năng lượng E2.
Phương trình cân bằng năng lượng: hv = E1- E2 (2.1)
Hình 1.8: Các vùng năng lượng trong đó E 1 Eg = Ec – Ev Bước sóng tới hạn λc của ánh sáng cần thiết để tạo ra cặp điện tử-lỗ trống được tính bằng công thức λc = hc/(Ec – Ev).
Khi ánh sáng chiếu vào vật rắn, các electron trong vùng hóa trị hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển lên vùng dẫn, tạo ra cặp hạt dẫn điện tử và lỗ trống Hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang điện trong, và nó tạo ra một điện thế.
Hình 1.9: Sự dịch chuyển của các hạt trong lớp tiếp xúc
Khi photon tương tác với các phân tử silic, nó có thể truyền qua phiến bán dẫn silic nếu năng lượng của photon thấp hơn mức cần thiết để nâng cao các electron Ngược lại, nếu năng lượng của photon lớn hơn ngưỡng này, nó sẽ được silic hấp thụ, giúp đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó truyền cho các electron trong màng tinh thể, thường là những electron ở lớp ngoài cùng, gắn chặt với nguyên tử lân cận và không thể di chuyển xa Khi các electron này được kích thích và trở thành dẫn điện, chúng có khả năng di chuyển tự do trong bán dẫn, tạo ra lỗ trống do nguyên tử thiếu một electron Lỗ trống này cho phép các electron từ nguyên tử bên cạnh di chuyển để lấp đầy, từ đó tạo ra thêm lỗ trống cho các nguyên tử lân cận.
Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn [3]
Một photon cần có năng lượng lớn hơn mức tối thiểu để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tần số ánh sáng mặt trời thường đạt khoảng 6000K, do đó, phần lớn năng lượng mặt trời được silic hấp thụ Tuy nhiên, hầu hết năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt thay vì năng lượng điện có thể sử dụng.
Quá trình hình thành dòng điện trong pin mặt trời bắt đầu khi bề mặt tấm pin được chiếu sáng, tạo ra cặp điện tử và lỗ trống tại lớp chuyển tiếp p-n Dưới tác động của điện trường tại vùng nghèo, cặp điện tử và lỗ trống được phân tách, với điện tử di chuyển về phía n và lỗ trống về phía p Khi pin mặt trời được kết nối với tải, một mạch kín được hình thành, cho phép thu được dòng điện ngoài có chiều ngược với dòng trong pin mặt trời.
1.3 Các kỹ thuật đo đặc trưng I-V của module quang điện
Hiệu suất của thiết bị quang điện được xác định bằng công suất tối đa Pm chia cho tích của bức xạ đầu vào và diện tích thiết bị Hiệu suất chuyển đổi này chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm bức xạ và nhiệt độ Ngoài ra, quá trình sản xuất cũng có thể tạo ra sự khác biệt trong các thông số điện, ngay cả đối với các tế bào cùng loại.
Việc đo thực nghiệm đường cong IV là cần thiết để xác định chính xác các thông số điện của thiết bị quang điện, do sự khác biệt giữa các module quang điện Phương pháp này cung cấp thông tin quan trọng cho thiết kế, lắp đặt và bảo trì hệ thống PV Với nhiều phương pháp đo IV hiện có, việc khảo sát chúng sẽ mang lại lợi ích cho các nhà nghiên cứu về hệ thống PV, dựa trên tính linh hoạt, độ chính xác và chi phí.
Mô hình diode của tế bào quang điện mặt trời
Tế bào quang điện mặt trời hoạt động như một diode trong chế độ phân cực ngược, với đặc trưng I-V được mô tả qua phương trình diode Giả sử có một diode lý tưởng, không tính đến tổn thất từ điện trở nối tiếp, song song và dây dẫn trong mạch điện tương đương Dòng điện tổng I dưới ánh sáng từ nguồn sáng được xác định bởi các yếu tố này.
I=I0 [1-exp( ¿ e∨V γkT ¿ ]+IL (1.1) trong đó I là dòng điện
I0 là dòng bão hòa diode ngược
|e| là độ lớn của điện tích, k là hằng số Boltzmann
T là nhiệt độ tuyệt đối γ là hệ số diode
IL là dòng điện do ánh sáng tạo ra
Do IL cùng hướng với I0, cho I=0 trong phương trình (1.1) ta thu được điện áp hở mạch:
Khi đó tính được công suất cung cấp cho điện trở tải kết nối qua pin quang điện mặt trời:
Điện áp tối đa Vmp được xác định từ phương trình P = IV = I0V [1-exp(¿ e∨V γkT ¿] + ILV (1.3) bằng cách giải phương trình dP/dV=0.
(1 + | e | Vmp γkT ) exp ( | e | Vmp γkT ) =1+ IL/I0 (1.4)
Dòng điện tương ứng với công suất tối đa Imp được xác định từ đường đặc trưng quang điện I-V theo Vmp đã biết
Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng (ƞ) là thông số quan trọng nhất để đánh giá hiệu suất của thiết bị quang điện Công thức tính hiệu suất này là ƞ = Imp Vmp Pin = Isc Voc FF Pin (1.5), trong đó Pin đại diện cho công suất bức xạ tới.
Hệ số lấp đầy FF được xác định
FF = Imp Vmp Isc Voc (1.6)
Pin mặt trời lý tưởng với FF=1 không bao giờ có thể đạt được trong thực tế Để điều chỉnh phương trình diode (1.1) cho phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, cần xác định hệ số diode γ Hệ số này có thể được xác định từ biểu đồ ln (IL - I) so với V trong vùng mà exp (|e|V / γkT) >> 1, theo công thức: ln (IL - I) = ln I0 + (eV / γkT).
I0 được xác định từ điểm chặn và γ từ độ dốc của đồ thị [6]
Tóm tắt chương 1
Chương I của Đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc tổng quan về pin quang điện mặt trời, bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình diode của tế bào quang điện Bài viết cũng đề cập đến các kỹ thuật đo đặc trưng I-V của module quang điện, đồng thời nêu rõ các vấn đề cần giải quyết trong chương tiếp theo, như lựa chọn kỹ thuật đo và linh kiện phù hợp cho thiết kế và chế tạo thiết bị.
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN TỬ
Lựa chọn các thành phần và linh kiện của hệ thiết bị đo
Hệ thống thiết bị đo đặc trưng I-V của module quang điện được trình bày trong sơ đồ tổng quan hình 2.6 Bên cạnh các module quang điện, hệ thống còn bao gồm thiết bị đo bức xạ mặt trời, hệ đo I-V, máy tính, cùng với phần mềm để thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu.
Hình 2.6: Sơ đồ tổng quan hệ thống thiết bị đo đặc trưng I-V của module quang điện
Nguồn ánh sáng trong hệ đo có thể sử dụng ánh sáng mặt trời, với cường độ chiếu sáng đạt khoảng 100 mW/cm² khi Mặt trời ở vị trí thẳng đứng (AM1) Khi Mặt trời ở một góc θ, số khối không khí tăng theo hệ số 1/cos θ, dẫn đến cường độ chiếu sáng giảm xuống còn 76 mW/cm² (AM2) trong điều kiện không khí trong lành Do sự biến đổi của ánh sáng mặt trời tự nhiên, tôi đã sử dụng nguồn ánh sáng nhân tạo là đèn halogen 1000W để thực hiện các phép đo Cường độ ánh sáng tới pin mặt trời được đo bằng máy đo phóng xạ đã hiệu chuẩn, sử dụng diode quang PIN silicon và bộ lọc đo phóng xạ Tế bào được chiếu sáng đều bằng ánh sáng từ đèn halogen 1000W trong khoảng thời gian ngắn để đảm bảo độ chính xác trong thí nghiệm.
Trong 30 phút, cần tránh để nhiệt độ tế bào tăng cao hơn nhiệt độ môi trường, vì điều này có thể dẫn đến giảm điện áp mở (Voc) và làm giảm hiệu suất chuyển đổi ánh sáng tương đối.
Trong đồ án tốt nghiệp này, kỹ thuật đo sử dụng bóng bán dẫn MOSFET làm tải điện tử, như đã trình bày tại mục 1.3.3 của Chương I Kỹ thuật này cho phép đo dòng điện lớn, với MOSFET hoạt động ở ba chế độ: vùng cắt, vùng hoạt động và vùng ohmic Mặc dù một phần năng lượng từ module PV cần phải tiêu tán, nhưng công suất chịu tải của MOSFET vẫn cao hơn so với các phương pháp đo khác.
Kỹ thuật này nổi bật với khả năng đo dòng điện lớn và công suất cao một cách hoàn toàn tự động, không cần thao tác bổ sung Đặc biệt, MOSFET dễ dàng được điều khiển chỉ với một transistor công suất, trong khi các kỹ thuật khác thường yêu cầu từ 2 đến 4 transistor để điều khiển.
Sơ đồ hệ đo đặc trưng I-V và phần mềm thu thập, xử lý số liệu được mô tả trong hình 2.7.
Hệ đo I-V yêu cầu sử dụng vôn kế có trở kháng cao và ampe kế có trở kháng thấp nhằm tránh tải mạch Linh kiện MCP4725 được lựa chọn để chuyển đổi giá trị kỹ thuật số thành điện áp đầu ra, hoạt động như một vôn kế Đồng thời, điện trở shunt kết hợp với OPA277UA được sử dụng để đo dòng điện.
Quy trình điều khiển tự động diễn ra thông qua các chương trình, thuật toán và linh kiện kết nối trên mạch PCB Sau khi hoàn thành việc lập trình trên phần mềm Arduino và kết nối phần cứng, chúng ta nạp chương trình vào mạch và kết nối với module pin mặt trời, tạo thành hệ thống đo dòng điện và điện áp hoàn chỉnh.
Cụ thể để đo được đặc tính I-V của module quang điện mặt trời, ta thực hiện các bước sạu:
(1) Tính toán, thiết kế và chế tạo mạch điện tử PCB sử dụng MOSFET, kết nối Arduino UNO và các linh kiện khác;
(2) Viết code trên phần mềm Arduino IDE;
(3) Kết nối phần mềm, phần cứng với module pin mặt trời và xuất dữ liệu;
Để đo đường đặc trưng I-V và xác định điểm công suất cực đại (Vmp, Imp), bước đầu tiên là lựa chọn linh kiện phù hợp và thiết kế sơ đồ nguyên lý Các linh kiện cần thiết bao gồm MCP4725, ADS1115, điện trở shunt, OPA277UA và ICL7660.
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý hệ đo I-V
Sơ đồ nguyên lý hệ đo I-V sử dụng MOSFET cho hệ đo đặc trưng I-V của module pin quang điện mặt trời cho phép thu thập dữ liệu đầu ra dưới dạng đường cong nhờ vào khả năng thay đổi nhanh điện trở tải MOSFET được điều khiển bởi tín hiệu quét tần số thấp, đảm bảo bao phủ toàn bộ đặc tính của bảng điều khiển và có thể hoạt động song song để xử lý dòng điện đầu ra cao từ nhiều tấm PV Điện áp và dòng điện đầu ra được thu thập thông qua bộ chia điện thế (MCP4725) và điện trở shunt Dữ liệu này được đọc bằng lập trình Python để hiển thị đường cong, trong đó Isc và Voc được xác định bằng hai bộ phát hiện đỉnh, trong khi công suất tức thời được tính bằng tích của điện áp và dòng điện, cho phép sử dụng bộ phát hiện đỉnh thứ ba để thu được giá trị Pm.
Chi tiết các thiết bị và linh kiện được sử dụng
2.3.1 Đèn chiếu Halogen 1000W Để phù hợp với điều kiện thực tế, trong đồ án tốt nghiệp này em sử dụng đèn halogen 1000W làm nguồn sáng thay cho mặt trời. Đèn Halogen 1000W có thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, vỏ làm bằng nhựa cứng cao cấp chắc chắn, bên ngoài sơn màu đen giúp sản phẩm hiện đại, nổi bật hơn Đặc biệt đèn Halogen 1000W có giá đỡ hoặc làm tay xách thuận tiện cho việc di chuyển và để ở mọi vị trí khác nhau Mặt trước của đèn được làm bằng kính phản quang giúp đèn sáng và tuổi thọ cao hơn.
Hình 2.9: Đèn Halogen 1000W Đèn có công suất tiêu thụ 1000W và điện áp hoạt động 110V/220V- 50/60Hz
Arduino là nền tảng mã nguồn mở phổ biến cho việc phát triển các dự án điện tử Nó bao gồm bảng mạch lập trình, thường được gọi là vi điều khiển, cùng với phần mềm IDE để lập trình và tải mã máy tính lên bo mạch.
Arduino đã trở thành nền tảng phổ biến cho hàng nghìn dự án nhờ tính đơn giản và dễ tiếp cận Phần mềm Arduino thân thiện với người mới bắt đầu, đồng thời cũng đủ linh hoạt cho những người dùng nâng cao Khác với các bo mạch lập trình truyền thống, Arduino cho phép tải mã mới qua cáp USB mà không cần phần cứng bổ sung Hơn nữa, Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản của C++, giúp việc học lập trình trở nên dễ dàng hơn.
Lập trình Arduino giúp điều khiển vi điều khiển một cách đơn giản Để bắt đầu, bạn chỉ cần cài đặt phần mềm Arduino IDE, cài driver đi kèm và kết nối mạch Arduino với máy tính qua cổng USB, từ đó có thể viết mã và nạp trực tiếp vào Arduino.
Phần mềm arduino được chia làm 3 phần:
Phần 2: Đoạn lệnh chỉ chạy 1 lần ( được đặt trong void setup() )
Phần 3: Đoạn lệnh chạy lặp lại ( được đặt trong void loop() )
Các phần trong bài viết cần được liên kết chặt chẽ để tạo sự mạch lạc Đoạn code được tổ chức theo từng nhóm lệnh, mỗi nhóm đảm nhiệm một công việc riêng biệt, và sau đó được kết nối với nhau để hình thành một chương trình hoàn chỉnh.
Hình 2.10: Bố cục các phần code chính trong arduino b, Phần cứng Arduino
Dòng mạch Arduino UNO là lựa chọn phổ biến nhất trong lập trình Arduino, và hiện tại đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3).
Hình 2.11: Các cổng vào ra và các chân analog của Arduino
Arduino UNO sử dụng ba vi điều khiển 8bit AVR: ATmega8, ATmega168 và ATmega328 Những vi điều khiển này có khả năng xử lý các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và xây dựng trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với khả năng hiển thị thông tin trên màn hình LCD.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V qua cổng USB hoặc từ nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng từ 7-12V DC, giới hạn từ 6-20V Sử dụng pin vuông 9V là lựa chọn hợp lý khi không có nguồn từ cổng USB Cần lưu ý rằng việc cấp nguồn vượt quá giới hạn có thể làm hỏng Arduino UNO.
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, các chân GND cần phải được kết nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF là chân trên Arduino UNO cho phép đo điện áp hoạt động của vi điều khiển, luôn duy trì ở mức 5V Tuy nhiên, không nên lấy nguồn 5V từ chân này vì chức năng của nó không phải là cung cấp điện.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Arduino UNO sở hữu 14 chân digital, cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp 0V và 5V, và dòng tối đa trên mỗi chân là 40mA Mỗi chân được trang bị điện trở pull-up tích hợp trong vi điều khiển ATmega328, mặc dù chúng không được kết nối mặc định Ngoài ra, một số chân digital còn có các chức năng đặc biệt, mở rộng khả năng sử dụng của bo mạch.
Cổng Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác một cách hiệu quả.
Kết nối Bluetooth trên hai chân này thực chất là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, thì không nên sử dụng hai chân này khi không cần thiết.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, và 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit, giúp điều chỉnh điện áp từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này mang lại khả năng linh hoạt trong việc điều chỉnh điện áp, khác với các chân khác chỉ có mức cố định 0V và 5V.
Chân SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn LED màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số
13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Thiết kế và chế tạo mạch điện
2.4.1 Quy trình làm mạch PCB cho hệ đo I-V
Bước 1: Vẽ mạch trong phần mềm EasyEDA
Hình 2.25: Thiết kế mạch nguyên lý bằng phần mềm EasyEDA
Bước 2: Chuyển mạch sang chế độ PCB
Hình 2.26: Mạch ở chế độ PCB
Bước 3: Chuyển mạch sang dạng PDF để in mạch
Hình 2.27: Mạch ở chế độ PDF để in
Bước 4: Đầu tiên, in file PDF ra giấy in mạch, sau đó đánh giấy ráp lớp đồng trên tấm PCB Sử dụng bàn là nhiệt để chuyển mạch từ giấy sang tấm PCB Tiếp theo, ngâm tấm PCB trong dung dịch muối ăn mòn, lau khô mực in bằng dung dịch Axeton và khoan các lỗ cần thiết trên tấm PCB.
Bước 5: Hàn các linh kiện với mạch PCB bằng thiếc
Hình 2.29: Mạch sau khi hàn xong bằng thiếc
Bước 6: Dùng dây nối mạch PCB với Arduino UNO ta được mạch hoàn thiện
Hình 2.30: Mạch sau khi nối với Arduino UNO
Bước 1: Kết nối với module pin quang điện mặt trời
Kết nối phần mềm Arduino IDE với phần cứng Arduino đã dùng dây nối sẵn với mạch PCB với pin quang điện mặt trời
Nối dây dương, dây âm của mạch PCB với dây dương, dây âm của pin quang điện mặt trời
Hình 2.31: Mạch điện tử hoàn thiện
Phần mềm Arduino IDE mang lại sự tiện lợi cho người dùng, cho phép viết và tối ưu hóa các chương trình Tuy nhiên, thư viện cho MCP4725, ADS1112, OPA277UA và ICL7660 không có sẵn và cần được thêm vào Khi tải chương trình vào MCU, nếu xảy ra lỗi, cần kiểm tra lại thư viện và mã nguồn trước khi nạp lại vào Arduino UNO.
Dưới đây là code Arduino hoàn chỉnh cho mạch điện tử
Hình 2.32: Code Arduino hoàn chỉnh cho mạch điện tử
Như vậy, ta có toàn cảnh sơ đồ hệ đo như trong hình 2.33.
Hình 2.33: Toàn cảnh sơ đồ mạch thực tế kết nối phần mềm
Hình 2.34: Toàn cảnh sơ đồ mạch thực tế kết nối phần mềm và lắp thêm đồng hồ đo U,I để so sánh kết quả
Để xuất dữ liệu từ mạch điện tử, trước tiên cần nạp code vào Arduino IDE cho mạch hoàn thiện Sau đó, dữ liệu về dòng điện và điện áp sẽ hiển thị ở cổng COM5 trên cửa sổ Serial Monitor Tiếp theo, sử dụng Visual Studio Code để viết code Python nhằm đọc dữ liệu từ cổng COM5, sau đó xuất dữ liệu ra Excel và vẽ đồ thị.
Ghi chép dữ liệu điện áp (U) và dòng điện (I) khi đo bằng đồng hồ, sau đó vẽ đồ thị để so sánh với đồ thị thu được từ mạch điện tử Qua đó, rút ra nhận xét về độ chính xác của đặc trưng I-V khi sử dụng mạch điện có MOSFET.
2.4.3 Thiết kế mạch bằng hộp linh kiện
So sánh và kiểm chứng dữ liệu dòng điện, điện áp đo bằng mạch và đồng hồ cho thấy độ chính xác cao với sai số rất ít và đồ thị đặc trưng sát với lý thuyết Hệ đo đặc trưng I-V của module pin quang điện mặt trời sử dụng MOSFET đạt độ chuẩn xác cao, từ đó thiết kế hộp linh kiện bao gồm Arduino, mạch điện tử hoàn thiện và nguồn điện 5V, đảm bảo hệ thống gọn gàng, đẹp mắt và chất lượng tuyệt đối.
Hệ đặt trong hộp linh kiện bao gồm các thành phần quan trọng được khoan 5 lỗ ở mặt bên Lỗ đầu tiên cho phép kết nối dây Arduino với máy tính, lỗ thứ hai được thiết kế để đặt nút bấm tiện lợi, giúp đo dòng điện và điện áp trong mỗi chu kỳ Lỗ thứ ba là công tắc để bật tắt nguồn 5V, nhằm tiết kiệm pin Hai lỗ còn lại được hàn với dây âm và dây dương của mạch điện tử, phục vụ cho việc cắm dây âm và dây dương của pin mặt trời đã được thiết kế lại theo kiểu bắp chuối.
Hình 2.37: Toàn cảnh hộp linh kiện kết nối phần mềm
Trong chương II, chúng tôi đã trình bày nguyên lý của hệ đo đặc trưng I-V của pin mặt trời Kỹ thuật đo được thực hiện bằng cách sử dụng MOSFET làm tải, được lựa chọn cẩn thận để thiết kế chế độ đo hiệu quả.
Bài viết đề cập đến các linh kiện điện tử như Halogen 1000W, Arduino, MCP4725, ADS1115, điện trở shunt, OPA277UA và ICL7660, với thông tin chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và vai trò của từng linh kiện trong mạch tổng quan Cuối cùng, quy trình thiết kế và hoàn thiện mạch điện tử PCB đã được trình bày rõ ràng.
