Mô hình tự động điều khiển pin mặt trời (đồ án tốt nghiệp)

Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.. Pin năng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

BỘ MÔN– ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1.Thái độ tác phong và nhận thức trong quá trình thực hiện đồ án:

2.Hình thức, thể thức trình bày đồ án:

3 Kiến thức chuyên môn:

4.Đánh giá khác:

5.Đánh giá kết quả:

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (Tracking Solar) 5

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 5

1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 5

1.3 Phạm vi nghiên cứu 8

1.4 Mục tiêu và giới hạn của đề tài 8

CHƯƠNG 2 9

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER 9

2.1 Yêu cầu bài toán 9

2.2 Giải pháp thiết kế 9

2.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối 11

2.4 Lựa chọn linh kiện 12

2.5 Lựa chọn linh kiện khối cảm biến 20

2.6 Bộ điều khiển sạc 21

2.7 Lựa chọn nguồn dự trữ Ắc quy 21

2.8 Lựa chọn động cơ 30

CHƯƠNG 3 31

PHÂN TÍCH NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH 31

VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 31

3.1 Ngôn ngữ lập trình 31

3.2 Phần mềm phụ trợ 31

CHƯƠNG 4 37

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 37

4.1 Giới thiệu mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) 37

4.2 Thiết kế phần cứng 39

4.3.Thiết kế thi công phần vi xử lý và cảm biến 41

4.4 Thiết kế phần mềm 43

CHƯƠNG 4 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU

HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (Tracking Solar)

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của quá trình Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo nhu cầu

sử dụng năng lượng của Việt Nam ngày càng tăng Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới xanh, sạch và có thể tái tạo được,…

để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bài toán đặt ra từ lâu đối với quốc gia đang phát triển như Việt Nam Với sự phát triển nền kinh tế, Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại về thiếu hụt năng lượng khi mà các nguồn năng lượng tuyền thống dần không đủ đáp ứng

Mặt khác,Việt Nam là quốc gia nhiệt đới gió mùa, có phần đất liền trải dài từ kinh tuyến 102°8′ Đông đến 109°27′ Đông và từ vĩ tuyến 8°27′ Bắc đến 23°23′ Bắc, cách đường xích đạo không xa nên cường độ ánh sáng mặt trời nhận được rất dồi dào Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đầy tiềm năng này

Những năm gần đây, khai thác năng lượng mặt trời đang được nhà nước quan

tâm Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, nhóm em thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình tự

động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)” Với mong muốn mô hình của đề tài

được ứng dụng trong thực tế cho việc phát tối ưu năng lượng điện trong các gia đình để

giải quyết phần nào tình trạng thiếu hụt năng lượng và làm cơ sở để tạo nên những trạm điện mặt trời trong tương lai

1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt thích hợp cho các vùng như núi cao, ngoài đảo xa Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được

ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên các tòa nhà, nơi có ánh sáng nhiều nhất và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện sẽ tạo ra điện năng

Pin năng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý như sau: Từ tấm pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn đến bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị

có chức năng có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery) Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để cung cấp điện cho các thiết bị điện

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

Việc sử dụng pin năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, góp phần giảm tải nhu cầu ngày càng tăng lên về năng lượng cho quốc gia Hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp điện cho các thiết bị điện tạo ra một năng lượng tái tạo xanh, sạch, độc lập và bảo vệ môi trường Diện tích lắp pin mặt trời càng lớn càng tạo ra nhiều điện năng sử dụng

Hình 1.2 Mô hình pin mặt trời tự động điều hướng của người dân

Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống Solar Tracker bao gồm:

- Tấm pin mặt trời Solar cells

- Hệ thống điều khiển tấm Solar cells

- Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc – quy

- Hệ thống Inverter 12V DC – 220V AC

- Ắc - quy lưu trữ điện

- Khung, giá đỡ

- Dây cáp nối

Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời mang lại:

- Pin năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực

- Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng cho các hộ gia đình

- Tạo ra nguồn điện độc lập, xanh, sạch và bảo vệ môi trường

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp nguồn điện

Việt Nam là nước giàu nguồn năng lượng mặt trời Hằng năm các vùng ở phía Bắc Việt Nam có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một số vùng miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng Nhưng rất ít người biết tận dụng điều kiện thuận lợi cuả năng lượng mặt trời vào sử dụng hằng ngày

Năm 2000 – 2005, EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin mặt trời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh)

Gần đây, Sở Khoa học và Công nghệ Tp Đà Nẵng phối hợp với Công ty Quản

lý vận hành điện chiếu sáng công cộng, quyết định thí điểm một năm trong việc lắp đặt

10 bộ đèn chiếu sáng đường phố bằng năng lượng gió và mặt trời tại đường Trường Sa

Ngoài ra tại Việt Nam, còn có khá nhiều doanh nghiệp đầu tư sản xuất loại máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn Hà, Sunflower, Thái Dương Năng…

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)”

được thực hiện trên vi xử lý AVR Atemega 328 kết hợp với hệ thống cảm biến, sử dụng tấm pin solar cell 10W - 18V Hệ thống Solar Tracker hoàn toàn có thể được đưa vào hoạt động thực tế với chi phí thấp, mang lại hiệu quả kinh tế cao

1.4 Mục tiêu và giới hạn của đề tài

Đề tài này có mục đích phát triển lý thuyết tính toán hệ thống năng lượng mặt trời tự điều hướng, đồng thời tiến hành kiểm nghiệm so sánh hiệu suất pin khi đặt trong

hệ thống cố định và khi cơ động hướng trên mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) với mô hình pin mặt trời thực có công suất 6W

Đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)”

sẽ tìm hiểu và nghiên cứu các một tiêu như sau:

- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu cơ sở khoa học về việc chế tạo mô hình tự động điều hướng pin mặt trời

- Thiết kế, thi công phần cảm biến góc chiếu của ánh sáng mặt trời, cơ cấu chuyển động theo ánh sáng mặt trời để cho hiệu suất pin cao nhất

- Chế tạo phần nguồn sạc tự động cho Acquy 12V

- Thi công phần cứng, khung cho toàn hệ thống

- Hệ thống đảm bảo hoạt động ổn định, tính thực tiễn cao, có thể áp dụng trực tiếp vào thực tế

- Hệ thống đảm bảo tính thẩm mỹ, kết cấu khung chắc chắn

- Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng mô hình tự động điều hướng pin mặt trời vào sinh hoạt nói riêng cũng như góp phần cải thiện

Do thời gian có hạn, kiến thức thực tế còn hạn chế, Đề tài “Thiết kế mô hình tự

động điều hướng pin mặt trời” sẽ giới hạn một số nội dung sau:

- Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại một số vị trí địa lý của Việt Nam theo các mùa

- Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả của hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định

- Chế tạo mô hình thực nghiệm cho hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER 2.1 Yêu cầu bài toán

- Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu, tìm hiểu về vi xử lý Atemega 328, hệ thống mạch so sánh, mạch nghịch lưu áp Inverter

- Xây dựng một hệ thống Solar tracker hoàn chỉnh có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng mặt trời tối đa, biến đổi điện áp DC sang AC cung cấp cho phụ tải xoay chiều

2.2 Giải pháp thiết kế

Hệ thống bao gồm:

- Tấm pin mặt trời (Solar Panel)

- Bộ điều khiển hướng quay tấm pin mặt trời

- Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)

- Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)

- Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter)

Hình 2.1 Mô tả góc nghiêng mặt trời theo mùa (Solar Tracker)

Hình 2.2 Hướng ánh sáng mặt trời

Để hướng nguồn ánh sáng tối ưu, giải pháp thiết kế của mô hình là: phải có bộ

phận điều khiển hướng đón ánh sáng của tấm pin mặt trời sử dụng cảm biến ánh sáng

2.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối

2.3.1 Sơ đồ khối

Hình 2.3 Sơ đồ khối mô hình tấm pin solar

2.3.2 Chức năng các khối tấm pin Solar:

Solar Cells:

Pin mặt trời hay pin quang điện, ký hiệu là PV là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%),

có tuổi thọ trung bình 30 năm

Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào ắcquy và phóng điện từ ắcquy ra các thiết bị điện một chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin

đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), cung cấp nhiều thiết bị tiêu thụ điện

Bộ điều khiển sạc:

Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho quy, bảo vệ cho quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải

ắc-Nguồn dự trữ (Ắc-quy):

Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau

Khối cảm biến ánh sáng và vi xử lý:

Vi xử lý có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến quang trở sau đó xử lý để điều khiển động cơ servo, cảm biến quang trở sẽ so sánh giá trị điện trở giữa vùng sáng và vùng tối để gửi giá trị điện trở thay đổi về cho vi xử lý

2.3.3 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống

Solar Tracker là một hệ thống pin năng lượng mặt trời, do đó hoạt động chủ yếu dựa vào năng lượng ánh sang mặt trời, khi có ánh sang mặt trời chiều vào, tấm pin biến đổi quang năng thành điện năng DC, dòng điện đi qua bộ phận điều khiển sạc để sạc cho bộ lưu trữ điện Ắc-quy, thiết bị điện hay tải sẽ sử dụng trực tiếp nguồn điện của pin năng lượng mặt trời tạo ra, khi nắng yếu hoặc không có nẳng điện áp yếu thì hệ thống tự động chuyển sang nguồn dự trữ Ắc-quy để cấp cho tải

Vì trong một ngày, mặt trời quay quanh quỹ đạo nên ánh nắng mặt trời sẽ

bị thay đổi góc chiều, chính vì vậy ta cần sử dụng một khối điều khiển sao cho tấm pin quay theo hướng của mặt trời, tia nắng tạo với mặt phẳng tấm pin Solar một góc 90 độ khi đó tấm pin nhận được lượng ánh sáng tối đa nhất

2.4 Lựa chọn linh kiện

2.4.1 Lựa chọn tấm pin mặt trời Solar

Ta sử dụng tấm pin mặt trời 10W, với quy mô nhỏ sử dụng cho các thiết

bị điện hay tải công suất nhẹ

2.4.1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Để hiểu về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy

1 nửa với 4 điện tử 3s23p2 Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Hình 2.5 Tinh thể Silic

Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện

tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy

từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên

tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể

Hình 2.6 Tinh thể bán dẫn loại N

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N :(Negative)

vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp

vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N

có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm

Hình 2.7 Tinh thể bán dẫn loại P

Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược

và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện

tử chạy từ bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống tự do

Hình 2.8 Lớp tiếp giáp P-N

Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn Điện trường tạo ra ở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòng điện tử sẽ không được phép chạy theo hướng ngược lại Để lí giải vì sao bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần tĩnh điện

Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (và

do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ) và một phần

bị hấp thụ khi truyền qua lớp N Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết Sẽ không thể có chuyện gì nếu không

có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do

đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ Với Si (B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 (Chính xác là 1,34 KW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12% Tại sao lại ít vậy Câu trả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng

để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này

Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp Vấn đề là khe vùng cũng xác định

hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên

nó cần trong suốt để ánh sáng có thể đi qua Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời

Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Có người nói: năng lượng làm ra một hệ thống pin mặt trời lớn hơn năng lượng nó thu được trong quá trình dùng Một thực tế là việc sử dụng năng lượng Mặt trời ở nước ta còn quá xa vời là do ta ỷ vào nguồn năng lượng thủy điện (cũng là một loại năng lượng sạch) nhưng thực tế nhu cầu tiêu thụ điện và sự khổ sở vì tình trạng các hồ chứa xuống dưới mức chết đã gióng một hồi chuông nhẹ tới suy nghĩ này của toàn bộ mọi người

2.4.2 Lựa chọn linh kiện khối vi điều khiển

2.4.2.1 Giới thiệu về vi điều khiển Atemega 328

Hình 2.9 Vi điều khiển Atemega 328

Sử dụng vi điều khiển AVR Atemega 328, lập trình trên nền ngôn ngữ Arduino đơn giản cho người lập trình.Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới

vi xử lý 8 bít (2KB RAM) Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ imer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C

Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế

độ rộng xung Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz

Ngày nay vi điều khiển Atmega328 thực sử được sử dụng phổ biến

từ các dự án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ, tiêu tốn ít năng lượng (chế độ hoạt động: 0.2 mA, chế độ ngủ: 0.1μA, chế

độ tích kiệm: 0.75μA) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùng AVR Và không thể không nhắc tới sự thành công của Vi điều khiển Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini những sản phẩm dẫn dắt chúng ta vào thế giới mã nguồn mở để hoàn thành một chương trình trong

+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

2.4.2.2 Ứng dụng của Arduino

Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lý linh hoạt, phần cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác Do đó có thể ứng dụng trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản từ các thiết bị báo cháy báo ga, đo các thông số môi trường (nồng độ khí, nhiệt đô, độ ẩm, ánh sáng ), hay phức tạp hơn là xử lý máy in 3D Arduino còn được ứng dụng trong công nghệ giải trí như thiết kế robot dò đường, tay cầm điều khiển Arduino còn có thể kết hợp ghép nối với các

thiết bị điện tử khác như kết nối với máy tính nhúng raspberry để thu thập

dữ liệu gửi lên mạng internet, hay có thể ghép nối với các board mở rộng như WiFi, Ethernet Shield,

2.5 Lựa chọn linh kiện khối cảm biến

2.5.1 Cấu tạo của quang trở

Khối cảm biến sử dụng 4 quang trở Điện trở quang hay quang trở, photoresistor, LDR (Light-dependent resistor, tiếng Anh còn dùng cả từ photocell), là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếu vào Đó là điện trở phi tuyến

Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao và không có tiếp giáp nào Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức một vài trăm Ω

Hình 2.10 Cấu tạo quang trở

Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng giải phóng các electron liên kết của chất bán dẫn để trở thành các electron quang dẫn do tác dụng của bức xạ thích hợp So sánh hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài:

- Phải được kích thích bằng ánh sáng kích thích thích hợp

- Quang điện trong: Các electron vẫn ở trong chất bán dẫn khi có ánh sáng kích thích

- Quang điện ngoài: Các electron bứt ra khỏi kim loại khi bị kích thích

- Công thoát của chất bán dẫn nhỏ hơn công thoát của kim loại

Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân

tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng

Hình 2.11 Quang trở

2.5.2 Một số ứng dụng của quang trở

Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, như trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối Cảm biến quang trở rất quen thuộc, quang trở là một loại "vật liệu" điện tử rất hay gặp và được sử dụng trong những mạch cảm biến ánh sáng Có thể hiểu một cách dễ dàng rằng, quang trở là một loại điện trở có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng Nếu đặt ở môi trường có ít ánh sáng, có bóng râm hoặc tối thì điện trở của quang trở sẽ tăng cao còn nếu đặt ở ngoài nắng, hoặc nơi có ánh sáng thì điện trở sẽ giảm Từ đó ta dựa vào giá trị điện trở này để điều khiển động cơ thay đổi góc quay cho tấm pin Solar

2.6 Bộ điều khiển sạc

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ Nhiệm vụ chính của nó là “điều khiển” việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời Cụ thể là các nhiệm vụ bảo

vệ bình ắc quy Khi bình đầy (VD 13.8V – 14V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sôi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không bị “kiệt”

2.7 Lựa chọn nguồn dự trữ Ắc quy

Sử dụng Ắc quy 12V 5Amp, có độ bền cao, sử dụng rất phổ biến trong các thiết

bị yêu cầu cần lưu trữ điện như lưu điện, xe máy, oto,…

Hình 2.14 Ắc quy

Ắc-quy là loại bình điện hóa học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị sữ dụng điện các tính năng cơ bản của ắc-quy:

- Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng điện nạp, Sự tự phóng điện bé nhất

- Năng lượng nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ắc-quy phóng ra

- Điện trở của ắc-quy gồm điện trở của các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực thường trị

số điện trở trong của quy khi nạp điện đầy là 0,001Ω - 0,0015 Ω và quy phóng điện hoàn toàn là 0.02Ω -0.025Ω

ắc-Các bộ phận chủ yếu của ắc-quy axit gồm:

- Các lá cực dương làm bằng Pb2 được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực dương

- Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song thành một bộ chùm cực âm

Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ với nhau theo kiểu cái răng lược, sao cho cứ một lá cực (-) rồi đến một lá cực (+)

- Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập mạch giữa các điện cực khác dấu

- Vỏ bình thường được làm bằng cao su cứng đúc thành hình hộp, chịu được khí nóng lạnh, va chạm mạnh và chịu được axit Dưới đáy bình có các đế cao

để dắt các lá cực lên, khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì đọng dưới rãnh đế như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùn gây ra, nắp đậy ắc- quy cũng làm bằng vỏ cao su cứng, nắp có các lỗ để đổ dung dịch điện phân và đầu cực luồn qua Nút đậy để dung dịch khỏi đổ ra

Hình 2.15 Cấu tao điện phân trong bình Ắc quy

- Cấu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ắc-quy này với cực dương của ngăn ắc-quy kế tiếp

Phân loại và nguyên lý hoạt động của ắc quy: Nếu điểm qua các loại ắc quy thì

có lẽ có thể có nhiều cách gọi như: ắc quy nước, ắc quy axít, ắc quy axít kiểu hở, ắc quy kín khí, ắc quy không cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm Thực ra thì cách nói như trên là các cách gọi khác nhau của vài loại ắc quy cơ bản mà thôi, các loại như vậy chính là cách gọi có thể bao hàm vào nhau mà nếu nghe qua bạn đừng hoang mang rằng tại sao có nhiều loại ắc quy như vậy Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là ắc quy sử dụng điện môi bằng axít (gọi tắt

là ắc quy a xít hoặc ắc quy Chì-Axít) và ắc quy sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi tắt là

ắc quy kiềm) Tuy có hai loại chính như vậy nhưng ắc quy kiềm có vẻ ít gặp nên đa số các ắc quy mà bạn gặp trên thị trường hiện nay là ắc quy a xít

Trong hình dưới vẽ đại diện hai bản cực của một ắc quy, trong đó cực cả hai cực được làm bằng Chì (Pb) và oxít Chì (PbO2) Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa Nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích

Hình 2.16 Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít

Quá trình phóng điện diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:

Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2

Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2

Suy ra: Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO4

Quá trình nạp điện cho ắc quy, do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắc quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong toàn bình sẽ là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2 H2SO4

Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm: PbO2, cực âm là Pb Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái hóa học nêu trên (như hình, tức là cực dương là PbO2, cực âm là Pb), trong các quá trình phóng điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi Có thể xem về trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp như hình dưới đây:

Hình 2.17 Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít

Trong thực tế, các bản cực ắc quy không giống như ở trên, các cực của ắc quy

có số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường

số cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi) Ở giữa các bản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực

Hình 2.18 Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau