Đồ án mô hình tự động điều khiển pin mặt trời Điện dân dụng

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

BỘ MÔN– ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GVHD: ThS Phạm Ngọc Hiệp

Trang SVTT: Nguyễn Minh Triều

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 đồán:

2.Hình thức, thể thức trình bày đồán:

3 Kiến thức chuyênmôn:

4.Đánh giákhác:

5.Đánh giá kếtquả:

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS Phạm Ngọc Hiệp

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG1 5

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

1.1 Tính cấp thiết củađềtài 5

1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vựcđềtài 5

1.3 Phạm vinghiên cứu 8

1.4 Mục tiêu và giới hạn củađềtài 8

CHƯƠNG2 9

PHÂN TÍCH HỆ THỐNGSOLARTRACKER 9

2.1 Yêu cầubàitoán 9

2.2 Giải phápthiếtkế 9

2.3 Sơ đồ khối và chức năngcáckhối 11

2.4 Lựa chọnlinh kiện 12

2.5 Lựa chọn linh kiện khốicảmbiến 20

2.6 Bộ điềukhiểnsạc 21

2.7 Lựa chọn nguồn dự trữẮcquy 21

2.8 Lựa chọnđộngcơ 30

CHƯƠNG3 31

PHÂN TÍCH NGÔN NGỮLẬPTRÌNH 31

VÀ PHẦN MỀMPHỤTRỢ 31

3.1 Ngôn ngữlậptrình 31

3.2 Phần mềmphụtrợ 31

CHƯƠNG4 37

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNGMÔHÌNH 37

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

4.2 Thiết kếphầncứng 39

4.3.Thiết kế thi công phần vi xử lý vàcảmbiến 41

4.4 Thiết kếphầnmềm 43

CHƯƠNG4 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNGPHÁTTRIỂN 49

TÀI LIỆUTHAM 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 đềtài.

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 ngàycàng 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 vớiquốc gia đang phát triển như Việt Nam Với sự phát triển nền kinh tế, Việt Nam cũnggặp phải những khó khăn và trở ngại về thiếu hụt năng lượng khi mà các nguồn nănglượng tuyền thống dần không đủ đápứng

Mặt khác,Việt Nam là quốc gia nhiệt đới gió mùa, có phần đất liền trải dài từkinh 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 lượngmặt 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 đểgiải quyết phần nào tình trạng thiếu hụt năng lượng và làm cơ sở để tạo nên những trạmđiện mặt trời trong tương lai

1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đềtài.

Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một sốlượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thànhnăng lượng điện Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượngmặt 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 đượcđặt trên các tòa nhà, nơi có ánh sáng nhiều nhất và kết nối với bộ chuyển đổi của mạnglưới 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 (DCPower) 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 nạpcho acquy (Battery) Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòngđiệnxoaychiều chuẩn 220V/50Hz để cung cấp điện cho các thiết bịđiện

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 thaythế cho các dạng năng lượng truyền thống, góp phần giảm tải nhu cầu ngày càng tănglên về năng lượng cho quốc gia Hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp điện chocác 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 sửdụng

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 Solarcells

- Hệ thống điều khiển tấm Solarcells

- Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc –quy

- Hệ thống Inverter 12V DC – 220VAC

- Ắc - quy lưu trữ điện

- Khung, giáđỡ

- 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 thiếtthực

- Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng cho các hộ giađình

- Tạo ra nguồn điện độc lập, xanh, sạch và bảo vệ môit r ư ờ n g

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp nguồnđiện

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

Năm 2000 – 2005, EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của Trường Đạihọc Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin mặt trời tại các hộ dân vàtrạm 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 lắpđặt10 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 máynước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn Hà, Sunflower,Thái Dương Năng…

1.3 Phạm vi nghiêncứu.

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 đượcđưa vào hoạt động thực tế với chi phí thấp, mang lại hiệu quả kinh tế cao

1.4 Mục tiêu và giới hạn của đềtài.

Đề tài này có mục đích phát triển lý thuyết tính toán hệ thống năng lượng mặttrời 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 mặttrời

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

- 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 caon h ấ t

- Chế tạo phần nguồn sạc tự động cho Acquy12V

- Thi công phần cứng, khung cho toàn hệthống

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

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

- 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 cảithiện

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 cácmùa.

- 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 cốđịnh

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

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER 2.1 Yêucầu bài toán.

- Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặttrời

- Nghiên cứu, tìm hiểu về vi xử lý Atemega 328, hệ thống mạch so sánh, mạchnghịch lưu ápInverter

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

2.2 Giải pháp thiếtkế.

Hệ thống bao gồm:

- Tấm pin mặt trời (SolarPanel)

- Bộ điều khiển hướng quay tấm pin mặttrời

- Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar ChargerController)

- Bộ kích điện DC-AC (SolarI n v e r t e r )

- Cầu dao chuyển mạch (SolarInverter)

- Ắc quy(Battery)

Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) là một vấn đề chúng ta đãbiết, với mỗi mùa khác nhau, tại một địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếukhác nhau và được mô tả như hình sau:

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

bộphận 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 cáckhối

2.3.1 Sơ đồkhối

Hình 2.3 Sơ đồ khối mô hình tấm pinsolar

2.3.2 Chức năng các khối tấm pinSolar:

Solar Cells:

Pin mặt trời hay pin quang điện, ký hiệu là PV là hệ thống các tấm vật liệuđặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điệnnăng 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 dòngđiện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bịđiện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào ắcquy và phóngđiện 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 chiềuthành 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 chobiết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụngkiểm soát được các phụtải

ắc-Nguồn dự trữ (Ắc-quy):

Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặckhông 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 cócông suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiềubình ắc-quy kết nối lại vớinhau

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 đểđiều khiển động cơ servo, cảm biến quang trở sẽ so sánh giá trị điện trở giữavùng 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 hệthống.

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

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 chotấm pin quay theo hướng của mặt trời, tia nắng tạo với mặt phẳng tấm pin Solarmột góc 90 độ khi đó tấm pin nhận được lượng ánh sáng tối đa nhất

2.4 Lựa chọn linhkiện.

2.4.1 Lựa chọn tấm pin mặt trờiSolar.

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

bị điện hay tải công suấtnhẹ

2.4.1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời.

Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bándẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòngđiện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhấthiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Để hiểu về nguyên lý làm việc củapin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫnSilic 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 đượcxếp 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 dùngchung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạngtinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoàicùng có chung 8 điện tử (bềnvững)

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 điềukiện 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 điệndương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạpchất 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 vỏngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tửnày trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạtnhân P để khuếch tán trong mạng tinhthể

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 tapha 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 chủyếu bằng các lỗ trống Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếpxúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫnloại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗtrống 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 khicác điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tíchđiện dương, ngược lại bán dẫn P tích điệnâm

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 nàyhầu như không có e hay lỗ trống tựdo

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 tửchạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòngđiện tử sẽ không được phép chạy theo hướng ngược lại Để lí giải vì saobạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần tĩnhđiện.

Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn códiện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyềnqua 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 lớpchuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bềmặt giới hạn p-n Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho e một nănglượng 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 saonếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòngđiện 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 dẫnloại p kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đođược một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chấtcủa chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ Với Si (B;P) thì giá trịnày ở khoảng 0,6V Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1kilowatt/m2(Chính xác là 1,34 KW/m2:Đây chính là hằng số mặt trời) , tuynhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vàokhoảng 8% đến 12% Tại sao lại ít vậy Câu trả lời là ánh sáng mặt trời cóphổ tần số khá rộng Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng đểkích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Chỉ có những photon nănglượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điềunày

Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV Các photon nănglượng thấp hơn sẽ không sử dụng được Nếu photon có năng lượng caohơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gìthêm Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để

tậnd ụ n g n g u ồ n p h o t o n t ầ n s ố t h ấ p V ấ n đ ề l à k h e v ù n g c ũ n g x á c đ ị

n h

hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc Khe vùng càng bé thìhiệu điện thế này càng bé Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệuđiện thế nhân với dòng Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vàokhoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa Một nguyênnhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cáchchúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện Ở mặt dưới của tấmpin 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 ởmép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mớivào được mạch điện Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủlên bề mặt của pin mặttrời

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

2.4.2 Lựa chọn linh kiện khối vi điềukhiển

2.4.2.1 Giới thiệu về vi điều khiển Atemega328

Hình 2.9 Vi điều khiển Atemega 328

Sử dụng vi điều khiển AVR Atemega 328, lập trình trên nền ngônngữ Arduino đơn giản cho người lập trình.Atmega328 là một chíp vi điềukhiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnhhơn hẳn Atmega8 Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiếntrúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàngnghìn 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 nốivào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ imer/counter có thể lập trình, có cácgắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nốitiếp 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 watchdogtimer, 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 áprộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên1MHz

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,A,c h ế

độ tích kiệm: 0.75μA,A) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùngAVR Và không thể không nhắc tới sự thành công của Vi điều khiểnAtmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul AdruinoUno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini những sản phẩm dẫn dắtchúng 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 ngônriêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứngnói Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó làWiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ Ngôn ngữ Arduino bắtnguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễhiểu

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

2.4.2.2 Ứng dụng củaArduino

Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lýlinh hoạt, phần cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác Do đó có thểứng dụng trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản từcác 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

robotdòđường,taycầmđiềukhiển.Arduinocòncóthểkếthợpghépnốivớicác

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 rộngnhư WiFi, Ethernet Shield,

2.5 Lựa chọn linh kiện khối cảmbiến.

2.5.1 Cấu tạo của quangtrở.

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

Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao và không có tiếp giápnào Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ Khi có ánh sáng, điện trởgiảm xuống mức một vài trămΩ

Hình 2.10 Cấu tạo quang trở.

Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vậtchất Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng giải phóng các electron liên kếtcủa chất bán dẫn để trở thành các electron quang dẫn do tác dụng của bức xạthích hợp So sánh hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quangđiệnn g o à i :

- Phải được kích thích bằng ánh sáng kích thích thíchhợp

- Quang điện trong: Các electron vẫn ở trong chất bán dẫn khi có ánh sángkíchthích

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

- Công thoát của chất bán dẫn nhỏ hơn công thoát của kiml o ạ i

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 độdẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quangtrở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau Quang trở phản ứngtrễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồns á n g

Hình 2.11 Quang trở.

2.5.2 Một số ứng dụng của quangt r ở

Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, nhưtrong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối Cảm biến quang trởrất quen thuộc, quang trở là một loại "vật liệu" điện tử rất hay gặp và được sửdụng 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 Nếuđặt ở môi trường có ít ánh sáng, có bóng râm hoặc tối thì điện trở của quangtrở sẽ tăng cao còn nếu đặt ở ngoài nắng, hoặc nơi có ánh sáng thì điện trở sẽgiảm Từ đó ta dựa vào giá trị điện trở này để điều khiển động cơ thay đổi gócquay cho tấm pinSolar

2.6 Bộ điều khiểnsạc.

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là một thiết bị trung gian giữa hệ cáctấm 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 khiểnngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sôi bình và làm ảnhhưởng 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 vệbình không bị“kiệt”

2.7 Lựa chọn nguồn dự trữ Ắcquy.

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,…

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

- Các lá cực dương làm bằng Pb2được ghép song song với nhau thành mộtbộchùm cựcdương

- Cáclá cực âm làm bằng Pbđượcghépsong songthànhmộtbộchùmcựcâm.Bộchùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ với nhau theo kiểu cái rănglược, 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 chậpmạch giữa các điện cực khácdấu

- Vỏ bình thường được làm bằng cao su cứng đúc thành hình hộp, chịu đượckhí 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 dướirãnh đế như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùngây ra, nắp đậy ắc- quy cũng làm bằng vỏ cao su cứng, nắp có các lỗ để đổdung dịch điện phân và đầu cực luồn qua Nút đậy để dung dịch khỏi đổra

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 cựcdương của ngăn ắc-quy kếtiếp

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 quykín khí, ắc quy không cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm Thực rathì cách nói như trên là các cách gọi khác nhau của vài loại ắc quy cơ bản mà thôi, cácloại như vậy chính là cách gọi có thể bao hàm vào nhau mà nếu nghe qua bạn đừnghoang mang rằng tại sao có nhiều loại ắc quy như vậy Trên thực tế thường phân biệtthành 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 sốcác ắc quy mà bạn gặp trên thị trường hiện nay là ắc quy axít

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

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 thụđiện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:

Tại cực dương: 2PbO2+ 2H2SO4= 2PbSO4+ 2H2O + O2Tại

cực âm: Pb + H2SO4= PbSO4+ H2

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

Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2ở cực dương và Pb ở cực âm hoàntoàn chuyển thành PbSO4

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

Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dươnggồm:PbO2, cực âm là Pb Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng tháihóa học nêu trên (như hình, tức là cực dương là PbO2, cực âm là Pb), trong các quátrình phóngđiện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi Cóthể 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 lạibao gồm nhiều ngăn như vậy Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tích bản cực đượcnhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòngđiện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và tất nhiên là dung lượng ắc quycũng 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 mộtbản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cáchnhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi) Ở giữa các bản cực của ắcquy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn đểthuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng đểđến các điệncực

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

Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2 V do

đó để đạt được các mức 6, 12 V thì ắc quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ với nhau Ví dụghép 3 ngăn để thành ắc quy 6V, ghép 6 ngăn để thành ắc quy 12V

Hình 2.19 Các ngăn Ắc quy

Mặc dù điện áp của các ắc quy là một số chẵn của 2, ví dụ như ắc quy 2V, 6V,12V, 24V nhưng trên thực tế thì điện áp thông thường của các ắc quy không như vậy.Mức điện áp mà các ắc quy cung cấp thườnglớnhơn so với định mức của chúng Ví dụnhư ắc quy 12V sẽ cung cấp mức điện áp tới 13V hoặc hơn Có điều có vẻ vô lý nàycũng xuất phát từ mức độ điện áp trên mỗi ngăn bình của chúng: Mức điện áp mỗi ngănbình ắc quy a-xít là 2,1 đến 2,2 V (±0,05V) Do tính chất cố hữu của ắc quy axit mà cácngăn của chúng không thể có mức điện áp cao hơn Cũng để đánh giá dung lượng của

ắc quy a-xít, người ta có các thí nghiệm đo đạc và cho thấy dung lượng ắc quy phụthuộc vào mức độ điện áp (lúc không phát dòng) như hìnhsau:

Hình 2.20 Biểu đồ điện áp.