ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Trang 1MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THÔNG MINH SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 7
1.1 Đặt vấn đề 7
1.2 Khái niệm về hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng năng lượng tái tạo 7
1.2.1 Khái niệm về hệ thống tự động 7
1.2.2 Khái niệm về tưới tiêu thông minh 8
1.3 Thực trạng hiện nay và tầm quan trọng của hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng năng lượng tái tạo 9
1.3.1 Thực trạng hiện nay 9
1.3.2 Tầm quan trọng của hệ thống tươi tiêu thông minh sử dụng năng lượng tái tạo 9
1.4 Ứng dụng tự động trong tưới tiêu cho cây trồng 10
1.5 Các nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước 10
1.5.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 10
1.5.2 Các nghiên cứu trong nước 11
1.6 Khái niệm chung và phân loại các dạng năng lượng tái tạo 13
1.6.1 Khái niệm các dạng năng lượng tái tạo 13
1.6.2 Phân loại các dạng năng lượng tái tạo 13
1.6.3 Năng lượng mặt trời 14
1.7 Ý nghĩa 19
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
21 2.1 Hệ thống pin mặt trời và ắc quy 21
2.1.1 Hệ thống pin mặt trời 21
2.1.2 Ắc- quy 25
2.2 Bộ điều khiển sạc 28
2.2.1 Nguyên lý mạch sạc 28
2.2.2 Cấu tạo mạch sạc 29
2.2.3 Xây dựng chương trình điều khiển cho mạch sạc pin mặt trời và bộ tưới tiêu 40
2.3 Bộ mạch nghịch lưu 58
2.3.1 Khái niệm và phân loại 58
Trang 22.3.2 Cấu tạo mạch nghịch lưu 59
2.4 Máy biến áp 61
2.4.1 Khái niệm 61
2.4.2 Các lượng định mức 61
2.4.3 Cấu tạo 62
2.4.4 Nguyên lý làm việc 62
2.5 Bộ tưới tiêu 63
2.5.1 Cảm biến độ ẩm 63
2.5.2 Công nghệ tưới nhỏ giọt 71
2.5.3 Cấu tạo của hệ thống tưới nhỏ giọt tự động 71
CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG 74
3.1 Phụ tải tính toán 74
Bước 1: Tổng hợp các thông tin về khu vực cây trồng 74
3.2 Tính chọn pin mặt trời 79
3.3 Tính chọn ắc quy 80
3.4 Thiết kế mạch sạc pin mặt trời 81
3.4.1 Hình ảnh mạch thực tế 81
3.5 Thiết kế mạch nghịch lưu 83
3.6 Thiết kế mạch đóng cắt và tủ điện 84
3.7 Vận hành hệ thống 85
3.8 Kết luận 88
Danh sách bảng biểu trong báo cá
Trang 3Bảng 1.1: Top 11 Quốc gia có sản lượng quang năng nhiều nhất trên
Thế Giới 16
Bảng 1.2: Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN 17
Bảng 2.1: Thông số hoạt động Arduino Nano 34
Bảng 2.2: So sánh nguyên lý điều khiển sạc PWM và MPPT 39
Bảng 2.3: Bảng các chân của cảm biến độ ẩm 69
Bảng 3.1: Thông số về các loại ống Inline 74
Trang 4Danh sách hình vẽ trong báo cáo
Hình 1.1: Hệ thống tưới tiêu thông minh 9
Hình 1.2: Hệ thống tưới thông minh nhỏ giọt của Israel 11
Hình 1.3: Hai tác giả Lê Văn Luận và Lê Đình Hiếu thử nghiệm ứng dụng trên nhà màng trồng hoa lan của gia đình ông Lê Văn Lự 12
Hình 1.4: Năng lượng tái tạo 13
Hình 1.5: Trang trại năng lượng mặt trời ở New Caledonia 14
Hình 1.6: Bản đồ biểu thị lượng chiếu xạ từ Mặt trời xuống Trái Đất (kWh/năm/m2) theo số liệu của NASA SSE 6.0 15
Hình 1.7: Năng lượng mặt trời tại Việt Nam 17
Hình 2.1: Pin mặt trời dạng silic 21
Hình 2.2: Pin mặt trời DCS 22
Hình 2.3: Pin mặt trời dạng keo nước 22
Hình 2.4: Ghép nối các tế bào pin mặt trời 23
Hình 2.5: Cấu tạo của pin mặt trời 23
Hình 2.6: Góc nghiêng tấm pin mặt trời tối ưu tại khu vực Hà Nội 24
Hình 2.7: Góc nghiêng tấm pin mặt trời tối ưu tại khu vực TP.HCM 24
Hình 2.8: Góc nghiêng tấm pin mặt trời tối ưu tại khu vực Buôn Mê Thuột 25
Hình 2.9: Cấu tạo các bản cực của ắc quy 26
Hình 2.10:Cấu tạo bình ắc quy 27
Hình 2.11:Phản ứng hóa học xả/nạp Ắc quy axit-chì 27
Hình 2.12:Nguyên lý bộ điều khiển sạc 28
Hình 2.13:Biểu đồ thể hiện các giai đoạn sạc của nguyên lý PWM 29
Hình 2.14:Nguyên lý mạch đo điện áp 30
Hình 2.15:Cảm biến nhiệt độ LM35 31
Hình 2.16:Sơ đồ các chân của LM35 32
Trang 5Hình 2.17:Arduino 33
Hình 2.18:Board mạch Arduino 34
Hình 2.19:MOSFET IRF9540N 36
Hình 2.20:Sơ đồ nguyên lí cấu tạo 37
Hình 2.21:Mạch nguyên lí 38
Hình 2.22:Giao diện lập trình của arduino ide 40
Hình 2.23:Thuật toán điều khiển cho mạch sạc pin mặt trời 41
Hình 2.24:Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu 60
Hình 2.25:Mạch nguyên lý tạo ổn định cho IC 60
Hình 2.26:Cảm biến độ ẩm 63
Hình 2.27:Đường cong đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở với độ ẩm 65
Hình 2.28:Cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn 67
Hình 2.29:Nguyên lý hoạt động của cảm biến 70
Hình 2.30:Sơ đồ nối dây 71
Hình 2.31:Bộ tưới nhỏ giọt 72
Hình 2.32:Hình ảnh mô phỏng giàn tưới tự động 73
Hình 3.1: Sơ đồ khu vực trồng dự kiến 74
Hình 3.2: Khoảng cách lỗ nhỏ giọt và giữa hai đường ống 74
Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế đường ống tưới nhỏ giọt 1.44ha 78
Hình 3.4: Pin mặt trời công suất 55Wp 80
Hình 3.5: Ắc quy dung lượng 45Ah 81
Hình 3.6: Module tạo xung PWM 82
Hình 3.7: Module cấp nguồn cho mạch 82
Hình 3.8: Module xử lý trung tâm 83
Hình 3.9: Màn hình LCD 20x4 83
Hình 3.10: Mạch in bộ nghịch lưu 83
Trang 6Hình 3.11: Module nghịch lưu 84
Hình 3.12: Nguyên lý của hệ thống 84
Hình 3.13: Giao diện màn hình chính 86
HÌnh 3.14: Hệ thống chế độ auto 86
Hình 3.15: Đặt các thông số cho hệ thống 87
Hình 3.16: Chế độ sạc 87
Hình 3.17: Hệ thống chế độ tưới 88
Trang 7CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THÔNG MINH SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 Đặt vấn đề
Đã từ lâu đời, người nông dân Việt Nam đã đúc kết 4 yếu tố quan trọng để sảnxuất nông nghiệp hiệu quả, cây trồng sinh trưởng tốt và có năng suất cao là: Nước –Phân – Cần – Giống Trong đó, nước là yếu tố quan trọng hàng đầu – liên quan đếntưới nước và tiêu nước, sau đó mới đến phân bón – liên quan đến dinh dưỡng và độ phìnhiêu của đất, kế tiếp là cần – liên quan đến sức lao động, công chăm sóc vụ mùa vàyếu tố quan trọng sau cùng mới đến giống – liên quan đến nguồn gốc và loại cây trồng
Sở dĩ, nước là yếu tố quan trọng hàng đầu vì nó giúp cho đất và cây trồng phát triển.Đất cần phải có nước mời duy trì sự sống của vi sinh vật trong đất, bảo tồn độ phìnhiêu, tơi xốp của đất trồng Cây trồng cần nước mới sống và phát triển Trong thựcvật nước chiếm trên 70% trọng lượng nước Ngoài ra, nước giúp cho sự cân bằng nhiệt
và độ ẩm trong đất và vùng không khí gần mặt đất
Việc kiểm soát lượng nước vừa đủ, không thiếu – không thừa là một trong những
kỹ thuật canh tác nông nghiệp Khi thiếu nước, đất và cây trồng bị khô héo, phải tưới
bổ sung Ngược lại, khi thừa nước, đất và cây trồng bị úng ngập, phải tiêu thoát rangoài Thêm vào đó nước ta là một nước nhiệt đới cận xích đạo, khí hậu nóng ẩm,cùng với đường bờ biển dài hơn 3200km nên tiềm năng về năng lượng mặt trời vànăng lượng gió là vô cùng lớn So với nhưng dạng năng lượng khác, gió và mặt trời làhai dạng năng lượng dễ khai thác nhất Tổng quát, kỹ thuật kiểm soát lượng nước chocây trồng, bao gồm công việc tưới và các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo đi kèm
là cơ sở khoa học của hệ thống tưới – tiêu thông minh sử dụng năng lượng tái tạo Do
đó chúng em đã quyết định chọn đề tài:” Nghiên cứu hệ thống tưới thông minh sửdụng năng lượng tái tạo”
1.2 Khái niệm về hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng năng lượng tái tạo
1.2.1 Khái niệm về hệ thống tự động
Hệ thống tự động là hệ thống bao gồm quá trình thu thập thông tin, xử lý thôngtin và tác động lên các hệ thống điều khiển các quá trình xảy ra trong thên nhiên, cuộcsống mà không có sự điều khiển giám sát của con người
Trang 8Hiện nay, hệ thống tự động rất phổ biến, chúng ta có thể thấy nó xuất hiện trongnhiều lĩnh vực, có thể kể đến một số hệ thống rất phổ biến hiện nay:
- Hệ thống quạt, điều hòa, tủ lạnh
- Hệ thống chuông báo giờ học
- Hệ thống tín hiệu đèn giao thông
1.2.2 Khái niệm về tưới tiêu thông minh
“Hệ thống tưới - tiêu thông minh” là một công trình nhân tạo sử dụng chủ yếucho nông nghiệp, nhằm mục đích giúp con người chủ động cung cấp nước đầy đủ theonhu cầu phát triển của cây trồng, đồng thời hệ thống cũng giúp cho việc tiêu thoátnước hợp lý giúp cho cây trồng không bị nguy hại do ngập úng
Hệ thống tưới tiêu thông minh là một trong những cơ sở vật chất hạ tầng củanông nghiệp và nông thôn Hệ thống giúp cho mùa màng phát triển ổn định, hạn chếnhững sự thất thường của thời tiết và điều kiện tự nhiên liên quan đến nguồn nước vàcây trồng Là hình thức tưới cung cấp nước một cách tự động hóa cho cây trồng Một
số hình thức của tưới tiêu thông minh như tưới nhỏ giọt, tưới phun sương, tưới phunmưa, Hệ thống tưới được tự động bằng một hệ thống điều khiển bằng cách mạch điện
tử với các thiết bị cảm biến nhiệt, cảm biến độ ẩm của đất để có thể lên lịch tưới mộtcách tự động hoặc do người dùng lên lịch tưới
Trang 9Hình 1.1: Hệ thống tưới tiêu thông minh
1.3 Thực trạng hiện nay và tầm quan trọng của hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng năng lượng tái tạo
1.3.1 Thực trạng hiện nay
Hiện nay, việc sử dụng hệ thông tưới tiêu thông minh và năng lượng tái tạo đã trởnên phổ biến ở khắp các quốc gia trên thế giới nhất là đối với các quốc gia có khí hậunhiệt đới như Việt Nam Đã có rất nhiều hệ thống tưới tiêu thông minh ra đời để phục
vụ cho việc tăng năng suất và phát triển nông nghiệp Theo đó cũng có rất nhiều nguồnnăng lượng tái tạo ra đời để phục vụ cho các mục đích sử dụng năng lượng khác nhau.Nhưng để kết hợp được nguồn năng lượng tái tạo với mục đích cung cấp năng lượngcho hệ thống tưới tiêu thì lại rất ít phát triển ở Việt Nam
Việc kết hợp được nguồn năng lượng tái tạo lại với mục đích tưới tiêu mang ýnghĩa rất lớn trong giai đoạn phát triển hiện nay khi mà chúng ta đang hướng tớinhững nguồn năng lượng sạch, những nguồn năng lượng vô tận Điều này không chỉgóp phần tiết kiệm điện năng mà còn giúp việc tưới tiêu hoa màu của người nông dân
dễ dàng hơn, giảm chi phí sản xuất, giải phóng sức lao động và bảo vệ môi trường
1.3.2 Tầm quan trọng của hệ thống tươi tiêu thông minh sử dụng năng lượng tái tạo
Lịch sử hoàn thiện của công cụ, phương tiện sản xuất phát triển trên cơ sở cơ giớihóa và điện khí hóa Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và
Trang 10về muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội.
Đó là mấu chốt của năng suất, chất lượng và giá thành Trong thực tiễn áp dụng
tự động hóa vào sản xuất sẽ đem lại những hiệu quả không nhỏ cho phép giảm nhanhgiá thành và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất, đáp ứng cường
độ cao về sản xuất, hiện đại thực hiện chuyên môn hóa và hoán đổi sản xuất Từ đó sẽtăng khả năng cạnh tranh đáp ứng yêu cầu sản xuất Trong một tương lai gần tự độnghóa sẽ đóng vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứngdụng sản xuất mà còn ứng dụng phục vụ đời sống con người Trong sản xuất nó thaythế con người những công việc cơ bắp nặng nhọc, công việc nguy hiểm, độc hại haycông việc tinh vi hiện đại Còn trong đời sống con người những công nghệ này ứngdụng phục vụ nhu cầu sống Nó sẽ là phương tiện không thể thiếu trong đời sốngchúng ta
1.4 Ứng dụng tự động trong tưới tiêu cho cây trồng
Mặc dù tự động hóa áp dụng từ rất lâu trong việc tưới tiêu xong chỉ áp dụng pháttriển mạnh ở một số nước có nền kinh tế phát triển, còn đối với các nước chậm pháttriển tuy nền nông nghiệp chiếm tỷ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa cho việccưới cây vẫn còn rất chậm Hiện nay đã được sự giúp đỡ của nước ngoài và các nướcđang phát triển đã dần dần đưa tự động hóa vào sản xuất, đặc biệt là các nước ĐôngNam Á trong đó có Việt Nam chúng ta Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của côngnghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu của vi điện tử và công nghệthông tin đã cho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thểnói tự động hóa trở thành xu hướng tất yếu trong mọi lĩnh vực cho bất kỳ quốc gia,vùng lãnh thổ trên thế giới
1.5 Các nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước
1.5.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài
Ở nước ngoài đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống tưới cây tự động:
Đầu năm 80 Liên Xô đã chế tạo loại máy ứng dụng trong nông nghiệp khi làmviệc Máy này quan sát được độ ẩm của thổ nhưỡng, nhiệt độ không khí và sức gió Nó
có thể xác định phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng nhờ một loại máylàm mưa nhân tạo
Trang 11Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới cây thích hợp những công nghệ tự độngmới nhất, điện toán đám mây và một số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có thể
tự động ngắm vòi phun, lượng nước và sản xuất lưới để tự động tưới nước cho câytheo lịch trình tính toán dựa trên phân tích dữ liệu đầu vào Ứng dụng năng lượng táitạo trong nông nghiệp được phổ biến rộng rãi ở một số quốc gia phát triển, tiêu biểu làIsrael
Hệ thống tưới thông minh nhỏ giọt của Israel có nhiều ưu điểm, nổi trội nhất đó
là tiết kiệm nước
Các hệ thống tưới thông minh sử dụng năng lượng tái tạo đã được thương mạihóa, nhưng với giá thành cao
Bộ điều khiển tưới cây tự động của Israel dễ dàng được lập trình theo yêu cầucủa người sử dụng chỉ cần vài thao tác, cung cấp một nguồn nước đầu vào và dẫn cácdấu nước dưới đến các vị trí cần tưới là đã hoàn tất việc lắp đặt hệ thống tưới tự độngtheo công nghệ tiên tiến
Hình 1.2: Hệ thống tưới thông minh nhỏ giọt của Israel
1.5.2 Các nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây, chính phủ có những chính sách thúc đẩy phát triểnnông nghiệp theo hướng hiện đại hóa Do vậy, các sản phẩm thông minh ứng dụngtrong nông nghiệp như hệ thống tưới cũng rất được quan tâm
Một số hệ thống tưới thông minh sử dụng năng lượng tái tạo cũng đã đượcnghiên cứu, phát triển và thương mại hóa
Trang 12Bên cạnh một số ưu điểm như hoạt động tin cậy, tiện dụng thì các hệ thống tướithông minh sử dụng năng lượng tái tạo vẫn còn một số hạn chế như lượng nước tiếtkiệm được còn thấp, cách tính chọn tấm pin còn chưa tối ưu và giá thành còn khá cao.
Ở nước ta có nhiều nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động và cuộc sống ở cáctrường đại học chuyên ngành kỹ thuật đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới cây tự động
do sinh viên thực hiện tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần khắc phục
Hệ thống phun tưới đa năng - một công trình nghiên cứu khoa học của hai giảngviên cao đẳng công nghiệp Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận và thạc sĩ Lê Đình Hiếu Cácthiết bị chính của hệ thống gồm một cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được ngày đẹp ởmàng trồng hoa, hệ thống điều khiển lập trình trên S7 1200 Khi các cảm biến chothông số độ ẩm của đất và nhiệt độ không khí tại nhà màng báo hiệu cần tưới nước tínhiệu này sẽ đưa tới PLC Tại đây các chức năng cưới được cài đặt từ trước sẽ hoạtđộng và tự ngừng khi cảm biến báo đạt yêu cầu về thông số nhiệt độ, độ ẩm
Hình 1.3: Hai tác giả Lê Văn Luận và Lê Đình Hiếu thử nghiệm ứng dụng trên nhà
màng trồng hoa lan của gia đình ông Lê Văn Lự.
Trang 131.6 Khái niệm chung và phân loại các dạng năng lượng tái tạo
1.6.1 Khái niệm các dạng năng lượng tái tạo
Hình 1.4: Năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo (Renewable energy) là năng lượng từ những nguồn liên tục
mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Vô hạn có hai nghĩa, hoặc là năng lượngtồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (ví
dụ như năng lượng mặt trời), hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liêntục ( ví dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thờigian dài trên trái đất
Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không đónggóp vào sự nóng lên của khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính Vì các nguồn nănglượng này là tự nhiên nên chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp Tuy nhiên, một hạnchế chung cho tất cả các nguồn năng lượng tái tạo là rất khó khăn để sản xuất ra mộtsản lượng điện lớn, đồng thời là công nghệ mới nên chi phí đầu tư ban đầu là rất lớn
1.6.2 Phân loại các dạng năng lượng tái tạo
Trang 14Năng lượng tái tạo được phân loại dựa trên nguồn gốc tạo ra chúng Có thể phân
thành các dạng: Năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều, thủy điện, năng lượng địanhiệt, năng lượng gió, sinh khối, nhiên liệu sinh học,
1.6.3 Năng lượng mặt trời
1.6.3.1 Tổng quan về pin mặt trời
Hình 1.5: Trang trại năng lượng mặt trời ở New Caledonia
Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là dòng bức xạ điện từ xuất phát từmặt trời đến trái đất Theo dự đoán của các nhà khoa học, chúng ta sẽ tiếp tục nhậnđược dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu,vào khoảng 5 tỷ năm nữa
Năng lượng mặt trời có thể trực tiếp thu được qua hiệu ứng quang điện, chuyểnnăng lượng các photon của mặt trời thành điện năng (pin mặt trời) Năng lượng củacác photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng vật thể, tức là chuyển thành nhiệtnăng (bình đun nước mặt trời), hoặc cũng có thể sử dụng để làm sôi nước nóng trongtháp Mặt trời tại các nhà máy nhiệt điện
Năng lượng photon của mặt trời còn có thể được hấp thụ và chuyển hóa thànhcác dạng năng lượng khác Ví dụ như, ánh sáng mặt trời gây ra phản ứng quang hóa tựnhiên – quang hợp, giúp dự trữ năng lượng mặt trời vào các nguồn nhiên liệu hóathạch
1.6.3.2 Tiềm năng năng lượng và tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
Năng lượng mặt trời (NLMT) chiếu trên mặt đất ở những nơi khác nhau là khônggiống nhau, trung bình khoảng 100W/m2, cao nhất khoảng 6000W/m2 Nguồn trữ
Trang 15lượng mặt trời (có thể chuyển thành năng lượng hữu dụng) được ước tính tương đươngvới công suất khoảng 86 triệu tỷ Watt Đây là một con số khổng lồ nếu so sánh vớicông suất của nhà máy nhiệt điện Phả Lại chỉ khoảng 1 tỷ Watt Tổng tiêu thụ nănglượng của con người hiện tại khoảng 15 nghìn tỷ Watt, tức là chỉ bằng khoảng 1/5000công suất dự trữ của năng lượng mặt trời cho trái đất Bởi vậy có thể nói, tương lai củanăng lượng Thế giới chính là năng lượng Mặt trời
Khả năng ứng dụng NLMT thay đổi theo từng vùng miền, điều kiện thời tiết.Nếu tính trung bình cho toàn bộ diện tích trái đất, trong vòng 24 giờ, một ngày trungbình 1m2 nhận được 4,2kWh Ở sa mạc, không khí rất khô và có ít mây che phủ, nguồnNLMT là nhiều nhất, hơn 6,0kWh/ngày/m2 Ánh sáng mặt trời cũng thay đổi theomùa, có những vùng nhận được rất ít nguồn NLMT vào mùa đông chỉ khoảng0,7kWh/ngày/m2
Hình 1.6: Bản đồ biểu thị lượng chiếu xạ từ Mặt trời xuống Trái Đất (kWh/năm/
m 2 )theo số liệu của NASA SSE 6.0
Những nước có tiềm năng lớn về năng lượng Mặt trời đều nằm ở khu vực cậnxích đạo như châu Phi, Nam Mỹ, châu Úc, Nam Á Điều đáng chú ý là các nước cótiềm năng lớn lại là những nước có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật chưa phát triển nênhầu hết chưa khai thác được tiềm năng sẵn có của mình
Trang 16Sản lượng điện từ quang năng toàn cầu cứ sau 2 năm lại tăng gần gấp đôi kể từnăm 2001 và đã vượt ngưỡng công suất 20.000 MW vào năm 2010 Trung Quốc đangdần vươn lên mạnh mẽ qua mặt các nước như Mỹ, Nhật, Italia , lượng pin năng lượngMặt Trời được sản xuất hàng năm của Trung Quốc cao gấp đôi so với Nhật Bản Dướiđây là bảng thể hiện sự tăng trưởng về sản lượng quang năng của các nước top đầutrên thế giới từ 2010-2014.
Bảng 1.1: Top 11 Quốc gia có sản lượng quang năng nhiều nhất trên Thế Giới
(GW)
2014(GW)
1.6.3.3 Tiềm năng và tình hình sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời,đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặttrời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn
ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiềumây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân Ở Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình
150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lýthuyết khoảng 43,9 tỷ TOE (Tô Quốc Trụ, 2010; Trịnh Quang Dũng, 2010)
Trang 17Hình 1.7: Năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộngrãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trêncác tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời cóthể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt
Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trongsuốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số giờ nắngtrong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ trong khi ở miền Trung và miềnNam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm
Dưới đây là bảng số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta
Bảng 1.2: Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN
Trang 18Ở Việt nam, các ứng dụng năng lượng mặt trời đã phát triển nhanh chóng kể từnhững năm 90 Sự phát triển của điện mặt trời ở Việt Nam trong 10 năm gần đây từnăm 1998 đến năm 2008 được thể hiện như trong trên Các ứng dụng bao gồm điệnmặt trời cho hộ gia đình và các trung tâm dịch vụ, hệ thống đun nước mặt trời, điệnmặt trời PV, hệ thống đèn điện và sấy Công nghệ lai ghép (Hybrid technology) củacác nguồn năng lượng tái tạo, được đặt tên là Manicub, đã được ứng dụng trên các tàuthuỷ, xe cứu thương hay khu biệt thự sử dụng năng lượng mặt trời.
Các dự án năng lượng mặt trời:
Mặc dù nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam được công nhận là có tiềm nănglớn, nhưng các dự án điện mặt trời vẫn chưa được chú ý phát triển Hầu hết các dự ánđiện mặt trời trên khắp cả nước chỉ ở quy mô nhỏ và tập trung chủ yếu vào việc khaithác nhiệt năng từ năng lượng mặt trời Chi phí đầu tư lớn là rào cản chủ yếu cho việcphát triển các dự án điện mặt trời ở Việt Nam
Việc đầu tư vào năng lượng mặt trời cho nghiên cứu và phát triển rất đáng kể.Những nguồn tài chính đầu tư cho các hoạt động nghiên cứu PV chủ yếu từ các tổchức quốc tế và cấp chính phủ Tiêu biểu nhất là việc đầu tư vào phòng thí nghiệm bándẫn của ĐH quốc gia Hồ Chí Minh (với 5 triệu USD) và phòng thí nghiệm Nano củaKhu công nghệ cao – Hồ Chí Minh (với 11 triệu USD) (Trịnh Quang Dũng, 2010)
Việc nghiên cứu ứng dụng PV đã và đang diễn ra từ năm 1990 tới nay Một vàiứng dụng mới đã thành công trong việc thiết kế và lắp đặt như công nghệ lai ghép cácnguồn năng lượng tái tạo của Solarlab (Madicub) được ứng dụng trong xe cứu thương,tàu thuỷ và khu biệt thự; điện mặt trời nối lưới SIPV cũng được lắp đặt bởi Solarlab.Nhờ có công nghệ tiên tiến và giá thành cạnh tranh, một vài công nghệ PV được sảnxuất ở Việt nam đã được xuất khẩu sang thị trường một số nước Châu Á nhưCampuchia và Băng La Đét (Trịnh Quang Dũng, 2010)
Các tổ chức tiêu biểu hoạt động trong lĩnh vực năng lượng mặt trời bao gồm:Phòng thí nghiệm SolarLab ở TP Hồ Chí Minh thuộc Viện Khoa học Việt nam, Việnnăng lượng Việt Nam (thuộc Bộ Công thương) và Trung tâm năng lượng tái tạo của
ĐH Bách khoa Hà nội
Trang 19Việc sản xuất các tấm pin quang điện PV bắt đầu xuất hiện ở Việt nam từ giữanhững năm 90 Các tấm pin mặt trời làm bằng tinh thể silic được sản xuất ở phòng thínghiệm trong thời gian từ 1990-2000 Một quy trình khép kín cho việc sản xuất tấmpin mặt trời đã được xây dựng và tấm pin mặt trời đầu tiên được sản xuất ở Việt namvào năm 2000 Chính phủ Việt nam hỗ trợ để chuyển giao công nghệ PV mới nhất vàoViệt nam cũng như thu hút đầu tư từ nước ngoài về sản xuất trong nước hình thànhngành công nghiệp sản xuất tấm pin quang điện PV ở Việt nam (Trịnh Quang Dũng,2010).
Hiện tại, các công ty tư nhân đang dẫn đầu trong lĩnh vực sản xuất pin quangđiện PV Trong số các công ty đó phải kể đến Nhà máy Mặt trời đỏ đặt tại TP Hồ ChíMinh, cung cấp vật liệu cho sản xuất pin mặt trời ở Bình Dương, Việt Vmicro JS ở TP
Hồ Chí Minh
Điện mặt trời ở Việt nam được ứng dụng ở vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa
và hải đảo (Tô Quốc Trụ, 2010) Có khoảng 4.000 hộ gia đình hưởng lợi từ hệ thốngđiện mặt trời quy mô gia đình (Solar Home Systems – SHSs) và 12.000 người trênkhắp vùng miền cả nước đang nhận được điện từ hệ thống pin PV Tổng công suất PVlắp đặt tại Việt Nam lên đến 4 MW vào năm 2010 (Trịnh Quang Dũng, 2010)
- Phù hợp với những vùng xa lưới điện
- Bảo vệ môi trường
Trang 20CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THÔNG MINH SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Trong phần này chúng em dự định sẽ thiết kế hệ thống gồm các bộ như:
- Hệ thống pin mặt trời và ắc quy
2.1.1.1 Khái niệm pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời hay còn gọi là pin quang điện ( solar photovoltaics) Làthiết bị chuyển hóa quang năng thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện
2.1.1.2 Phân loại pin mặt trời
- Pin mặt trời dạng silic
Hình 2.1: Pin mặt trời dạng silic
- Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC
Trang 21Hình 2.2: Pin mặt trời DCS
- Pin mặt trời dạng keo nước (lá nhân tạo): là loại pin mặt trời có thẻ uốn cong,
có thành phần là keo nước chưa các phần tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủchất liệu carbon Do hiệu suất thấp nên chưa được đi vào sử dụng rộng rãi
Hình 2.3: Pin mặt trời dạng keo nước
2.1.1.3 Cấu tạo pin mặt trời
Các tấm pin mặt trời mà chúng ta thường thấy được cấu tạo từ rất nhiều tế bàoquang điện (cell), sau đó hợp lại thành module → mảng (array) → panel (tấm), đượcmắc nối tiếp, song song hoặc hồn hợp
Trang 22Hình 2.4: Ghép nối các tế bào pin mặt trời
Pin mặt trời gồm có các thành phần chính như:
2.1.1.5 Góc nghiêng pin mặt trời
Trang 23Về góc làm việc của tấm pin NLMT, đối với Việt Nam, hướng Nam là hướng cóthời gian đón bức xạ mặt trời nhiều nhất trong năm và là hướng tối ưu để lắp tấm pinnăng lượng mặt trời Để nhận được tối đa NLMT dưới dạng quang năng, khi lắp đặtcần phải quan tâm đến độ nghiêng của thiết bị Góc tối ưu nhất khi lắp là đặt các tấmpin mặt trời là 15 – 45 độ, độ dốc nghiêng thấp dần về phía Nam Tuy nhiên gócnghiêng của pin mặt trời còn phụ thuộc theo mùa hoặc theo từng tháng Nếu có điềukiện, chúng ta nên điều chỉnh góc nghiêng của pin mặt trời trong suốt cả năm để đạthiệu suất tối đa
Qua khảo sát thực tế, dưới đây là góc nghiêng của pin mặt trời tại một số khu vựccủa Việt Nam
Trang 24Khu vực Buôn Mê Thuột
Hình 2.8: Góc nghiêng tấm pin mặt trời tối ưu tại khu vực Buôn Mê Thuột
Cũng theo một số nghiên cứu, góc nghiêng mặt trời cũng phụ thuộc vào vĩ độ củađịa điểm lắp pin mặt trời Góc nghiêng của pin mặt trời α (tính theo phương ngang) được tính theo công thức:
α =β ±100
Trong đó β là vĩ độ nơi đặt tấm pin mặt trời (Hà Nội thuộc vĩ độ 140 Bắc)
Theo hình 2.8, tại khu vực Hà Nội, dải góc nghiêng của tấm pin mặt trời là tương đốilớn, xét theo phương ngang), là từ 2÷44 độ Và phần lớn các tháng trong năm có góc nghiêng là khoảng 240 Cũng theo công thức trên thì góc nghiêng của tấm pin mặt trời tại Hà Nội là α = 240 Sau khi kết hợp cả lý thuyết và khảo sát thực tế, chúng em đã chọn góc nghiêng là 240 (so với phương ngang)
2.1.2 Ắc- quy
2.1.2.1 Khái niệm và phân loại
Ắc-quy là một thiết bị có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng vàphóng điện để cung cấp cho các thiết bị điện
Phân loại:
Ắc quy sử dụng điện môi bằng Axit (gọi là ắc quy axit hoặc ắc quy chì):
- Ắc quy axit chì hở (vented lead- acid batteries)
- Ắc quy axit chì kín ( valve-regulated lead acid batteries)
Ắc quy sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi tắt là ắc quy kiềm) ít gặp
Trang 252.1.2.2 Cấu tạo
Hình 2.9: Cấu tạo các bản cực của ắc quy
Đối với loại Ắc quy axit chì: Bao gồm 2 bản cực, trong đó bản cực dương (+)được làm bằng oxit Chì (PbO2) và bản cực ẩm (-) được làm bằng Chì (Pb) Điền đầygiữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịchloãng như vậy thì Nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích
Đối với loại Ắc quy Ni-Cd kiềm: Bản cực dương (+) được làm bằng Niken hydroxít Ni(OH)2 và cực âm được làm bằng Catmi hydro xít Cd(OH)2 Điền đầy giữa cácbản cực là dung dịch kali kiềm (KOH)
Một bình Ắc quy hở khí thông thường sẽ bao gồm các thành phần sau: Nút thônghơi để thoát các khí bên trong bình ra ngoài, cọc bình để nối với tải ngoài hoặc nốighép các bình với nhau,thanh nối để nối các bản cực dương/âm lại, bản cực gồm cácbản cực dương và bản cực âm, dung dịch điện phân và tấm chắn nằm giữa các bản cực(Hình 2.10: Cấu tạo bình ắc quy) Nếu là Ắc quy Axit-chì kín khí thì cấu tạo cũnggiống với ắc quy hở nhưng sẽ không có nút thông hơi
Hình 2.10: Cấu tạo bình ắc quy
Trang 262.1.2.3 Nguyên lý làm việc (ắc quy axit chì)
Hình 2.11: Phản ứng hóa học xả/nạp Ắc quy axit-chì
Quá trình phóng/xả điện: diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, phản ứng hóa học xảy ra như sau:
Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2
Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2
Phản ứng toàn bình: Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàntoàn chuyển thành PbSO4
Quá trình sạc/nạp điện: 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
Dung lượng của ắc quy: C = I*t (Ah)
Điện áp của ắc quy: gồm có điện áp định mức, điện áp xả, điện áp nạp, điện ápthả nổi
Trang 27Điện trở nội của ắc quy : E = IR = E0 –I.Ri (V)
Với: I : dòng điện trong mạch
R : điện trở tải
Ri : điện trở nội của Ắc quy
E0 : sức điện động của Ắc quy/ điện áp hở mạch
E: điện áp bình vận hành (operating voltage)
Ngoài ra còn có các thông số khác như: dòng khởi động nóng, dòng khởi độngnguội, dung lượng RC (reserve capacity)
2.2 Bộ điều khiển sạc
2.2.1 Nguyên lý mạch sạc
Hình 2.12: Nguyên lý bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc được điều khiển bởi Module ARDUINO NANO Modulearduino sẽ thực hiện chức năng chính là đo điện áp của ắc quy và tấm pin mặt trời đểđiều chỉnh điện áp sạc phù hợp
Bộ điều khiển sạc sử dụng nguyên lý sạc PWM trong đó có 2 mức điện áp quyđịnh sạc tuỳ theo mức sạc mà bộ điều khiển sạc sẽ gửi tín hiệu xung PWM đến tâm pinmặt trời thông qua Mosfet
Trang 28Khi mạch đã sạc đầy điện cho ắc quy sẽ có đèn báo Khi đó năng lượng từ tấmpin mặt trời sẽ được giới hạn bởi module điều khiển arduino Khi ắc quy hết điện sẽ cóđèn báo hiển thị và có tín hiệu gửi từ vi điều khiển không cho phép sử dụng nănglượng từ ắc quy
Nguyên lý sạc PWM:
Hình 2.13: Biểu đồ thể hiện các giai đoạn sạc của nguyên lý PWM
Bulk (Giai đoạn sạc nhanh):Trong giai đoạn này, dòng sạc sẽ được nạp tối đavào ắc quy do tín hiệu PWM Đây cũng là giai đoạn đầu của quá trình sạc, lúc này điện
áp của ắc quy sẽ tăng nhanh đến cho đến khi dạt mốc điện áp nhất định.(14,4v)
Absorption (Giai đoạn sạc ổn định) : Khi điện áp của ắc quy đã đạt đến điểmđiện áp sạc quy định của giai đoạn sạc nhanh, lúc này bộ điều khiển sẽ giữ tín hiệuPWM như trên Trong giai đoạn này dòng điện sẽ được giảm xuống để tránh hiệntượng ắc quy bị quá nhiệt và nước bị bốc hơi cho đến khi ắc quy được sạc đầy
Float (Giai đoạn sạc nổi ): Khi ắc quy đã được sạc đầy điện áp sạc sẽ đượcgiảm xuống để chờ
2.2.2 Cấu tạo mạch sạc
- Khối cấp nguồn cho mạch : Module buck DC-DC 12V to 5VDC
- Bộ xử lý trung tâm : Arduino nano v3.3
Trang 292.2.2.1 Mạch đo điện áp
Mạch đo điện áp được cấu tạo từ mạch phân áp đơn giản gồm có một điện trở20k và một điện trở 100k
Hình 2.14: Nguyên lý mạch đo điện áp
Tín hiệu điện áp sẽ được đưa vào các chân A0 và A1của module Arduino
Điện áp này sẽ được tính quy đồi theo công thức Khi chân ADC đếm được 1024xung tương ứng với điện áp 5v Từ sơ đồ mạch cầu phân áp ta thấy điện áp vào chânA0 (Vout)được xác định theo công thức:
Vout=Vin*R2/(R1+R2)
Vin = Vout*(R1+R2)/R2 R1=100 and R2=20
Vin= ADC count*0.00488*(120/20) V
Trong đó : Vin là điện áp trên mạch cần đo
2.2.2.2 Mạch đo nhiệt độ: Sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 :
Hình 2.15: Cảm biến nhiệt độ LM35
Trang 30Để đo nhiệt độ của môi trường xung quanh ta sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35
có dải đo từ -55oC đến +150oC
Chức năng của mạch đo nhiệt độ: Do trong đề tài này chúng em sử dụng ắc quy
để tích điện cho hệ thống mà ắc quy bị tác động dưới sự thay đổi của nhiệt độ Khinhiệt độ cao ắc quy trở nên nóng hơn sẽ có khả năng làm cho lượng nước trong ắc quy
bị hoá hơi Khi nhiệt độ thấp sẽ làm cho ắc quy khó sạc hơn Do vậy để xây dựng được
bộ sạc cho ắc quy ta cần quan tâm đến nhiệt độ của ắc quy cũng chính là nhiệt độ củamôi trường xung quanh Theo các nghiên cứu đã được kiểm chứng nhiệt độ môitrường ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp sạc của ắc quy Do vậy khi nhiệt độ môi trườngthay đổi ta cũng cần điều chỉnh điện áp sạc cho phù hợp để chánh hiện tượng điện ápkhông đủ cao để sạc hoặc hiện tượng điện áp quá cao Khi ắc quy đặt trong môi trường
có nhiệt độ thấp sẽ yêu cầu một điện áp sạc cao hơn mức bình thường để có thể đưadòng điện qua chất điện phân cũng như bản cực Ngược lại khi nhiệt độ cao thì ắc quy
sẽ chỉ cần mức điện áp thấp hơn để sạc nếu vẫn sạc ở mức cao sẽ gây tổn hao khiếnhơi nước bị bốc hơi chất điện phân bị hư hại một cách không cần thiết
Để xét đến sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp sạc của ắc quy người ta sửdụng mốc 25oC là mốc chuẩn để xác định nhiệt độ Mốc 250C được sử dụng là bởi cácloại ắc quy được kiểm chứng và thử nghiệm đều tại nhiệt độ này
Qua thực tế kiểm chứng cho đến hiện nay công thức được sử dụng nhiều nhất đểbiểu hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp sạc của ắc quy là khi tăng nhiệt độ lên
10C thì điện áp sẽ giảm đi 0,005 V với mỗi Cell tức 2v (của ắc quy)
Như vậy đối với ắc quy 6 cell (12v) thì cứ khi nhiệt độ tăng lên 10C thì điện áp
sẽ giảm đi 0,03 (V) Ngược lại khi nhiệt độ giảm đi thì điện áp sạc sẽ cần tăng lên: Khigiảm nhiệt độ lên 10C thì điện áp sẽ tăng đi 0,005 V với mỗi Cell tức 2v (của ắc quy)
Ví dụ: Khi ta cần sạc ắc quy 12v ở nhiệt độ 35oC thì điện áp sạc sẽ cần được xácđịnh như sau:
Điện áp sạc sẽ cần giảm đi (35-25)*0,03=0,15(V)
Trang 31Hình 2.16: Sơ đồ các chân của LM35
Cảm biến nhiệt độ sẽ truyền tín hiệu đến bộ điều khiển thông qua chân A3
Để đọc được tín hiệu từ chân A3 rồi chuyển sang nhiệt độ ta cần có công thứcchuyển đổi như sau: Nhiệt độ = (5/1024)*ADC count*100 (0C)
Dựa trên Data sheet của LM35 ta có độ nhạy của cảm biến lm35 là : 10mv/1oCCảm biến nhiệt độ lấy nguồn dương từ arduino 5v ta có công thức tính nhiệt độ:Các đèn báo hiển thị trạng thái của ắc quy và đèn báo trạng thái của pin mặt trời.Trên mạch sẽ có 3 đèn báo các trạng thái của ắc quy: đã sạc đầy; đang sạc; ắcquy yếu điện; 2 đèn báo trạng thái của pin mặt trời : đã kết nối ; không kết nối;
Cầu chì bảo vệ ngắn mạch và diode 1n4007 bảo vệ ngược dòng
2.2.2.3 Arduino
Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên Ý thiết
kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận và điềukhiển nhiều đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ từ lấy tín hiệu từcảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, và nhiều đối tượng khác Ngoài ra mạch còn cókhả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc thẻ từ, ethernet shield,sim900A, … để tăng khả ứng dụng của mạch Phần cứng bao gồm một board mạchnguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit… Hiện phần cứng của Arduino có tất cả 6 phiên bản
Hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới cũng có nhiều bo mạch vi điều khiển khácnhau Tuy nhiên Arduino có một số ưu điểm mà khiến nó trở nên nổi tiếng và hiệnđang được sử dụng rộng rãi trên thế giới Những ưu điểm đó là: rẻ, tương thích đượcvới nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rõ ràng, dễ sử dụng, sử dụng
Trang 32Nguồn mở: Hardware và Software Cung cấp đầy đủ sơ đồ nguyên lý, thiết kế,
mã nguồn…có thể sửa đổi cho phù hợp
Hệ thống module tiêu chuẩn: mỗi module là một chức năng (Việc thiết kế chính
là kết hợp các khối chức năng đã chuẩn hoá)
Ưu điểm phương pháp thiết kế với Arduino (Open Hardware):
- Không đòi hỏi nhiều kỹ năng: Tập trung vào tư duy hệ thống, lập trình được hỗ trợbởi nhiều thư viện chuẩn hoá của các module
- Thời gian thực hiện ý tưởng rất nhanh, tạo hứng thú
- Tập trung vào hệ thống, có thể thực hiện được các hệ thống phức tạp, toàn diện
- Phát triển tư duy lập trình, hệ thống
- Dành cho cộng đồng rộng hơn từ giới chuyên nghiệp cho đến không chuyên, thậmchí trẻ em (cấp 1) phát triển được các ứng dụng theo sở thích
Thông số hoạt động
Trang 33Hình 2.18: Board mạch Arduino Bảng 2.1: Thông số hoạt động Arduino Nano
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA
Trang 34Nano có một lợi thế cực kì quan trọng, nhờ đó Arduino Nano đã được ứng dụng rấtnhiều trong các dự án DIY, đó chính là kích hước của nó Đồng thời Nano còn sốlượng chân Analog nhiều hơn Uno (2 chân A6, A7 chỉ dùng để đọc) cùng với dùng ratối đa của mỗi chân IO lên đến 40mA Nhưng, có một điểm trừ nhẹ cho Nano, đó làmạch này Nano cần đến 2KB bộ nhớ cho bootloader (ở Uno là 0.5KB).
Cổng kết nối với Arduino Nano
Khác với Arduino UNO sử dụng cổng USB Type B, Nano lại sử dụng một cổngnhỏ hơn có tên là Mini USB Vì sử dụng cổng này nên kích thước board (vê chiều cao)cũng giảm đi khá nhiều, ngoài ra bạn có thể lập trình thẳng trực tiếp cho Nano từ máytính
2.2.2.4 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Mosfet IRF9540N
Mosfet IRF9540 là mosfet kênh P hay mosfet thuận
Hình 2.19: MOSFET IRF9540N
Mosfet IRF9540 là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác vớiTransistor thông thường Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so vớiBJT, Mosfet IRF9540 có công suất là 150W Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là
1 khóa
- Thông số kỹ thuật:
Điện áp đánh thủng: 100V
Điện áp VGS = +/-20V
Trang 35Dòng chịu đựng trung bình: 19A
Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 175oC
Công suất: 150W
Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lí cấu tạo
Cấu tạo chân:
G: Gate gọi là cực cổng D: Drain gọi là cực máng
S: Source gọi là cực nguồn
Trong đó : G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn cònlại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2) Haicực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D) Cực máng là cực đón các hạt mang điện.Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , cònđiện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S( UGS )
Nguyên lí hoạt động:
Mosfet IRF9540 có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra
dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các
nguồn tín hiệu yếu.
Trang 36Khi cho dòng điện đi qua một môi trường bán dẫn có tiết diện dẫn điện thayđổi dưới tác dụng của điện trường vuông góc với lớp bán dẫn đó Nếu thay đổicường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bán dẫn và do đó làm thayđổi dòng điện đi qua nó Lớp bán dẫn này được gọi là kênh dẫn điện.
Khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp tại chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn
Hình 2.21: Mạch nguyên lí
Trong mạch sử dụng transistor 2N3904 để làm mạch kích Khi chưa kích BJT
2n3904, chân G của Mosfet được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thếgần bằng VS cũng là điện áp chân S của IRF9540N nên Mosfet này không dẫn Khikích L1, BJT dẫn làm điện áp chân G của IRF9540N sụt xuống gần bằng 0V Khi đó,điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, Mosfet dẫn Vi điều khiển dùng
để kích BJT
2.2.2.5 Các phương pháp điều khiển sạc
Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầyhoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin khi bình đã đầy
Hiện nay, người ta sử dụng các phương pháp hiện đại hơn để điều khiển sạc chopin mặt trời trong đó hai phương pháp tối ưu nhất phải kể đến
Phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse – Width – Modulation) sửdụng mạch transitor đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này cónhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời
Trang 37Phương pháp tìm điểm công suất cực đại (MPPT – MAX POWER POINTTRACKING) có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có công suất cực đại MPP(Max Power Point) Pmax để sạc cho ắc quy.
So sánh hai nguyên lý điều khiển sạc PWM và MPPT
Bảng 2.2: So sánh nguyên lý điều khiển sạc PWM và MPPT
Chỉ tiêu Phương pháp PWM Phương pháp MPPT
Hiệu suất Phương pháp PWM sử dụng mạch
đóng cắt để đưa điện áp pin mặt
trời về gần với giá trị điện áp của ắc
quy Phương pháp này sẽ có nhược
điểm là làm hao phí không sử dụng
hết được năng lượng của tấm pin
mặt trời
Bộ điều khiển MPPT hoạt độngdựa trên nguyên lý tìm điểm côngsuất cực đại Do vậy bộ điều khiểnsạc theo nguyên lý này có thể khaithác được nhiều năng lượng hơn từtấm pin mặt trời Thông thườnghiệu suất sẽ cao hơn bộ PWM 30%.Nhiệt độ -Ở nhiệt độ bình thường 25o
C nếu
có nắng điện áp sẽ đạt 17v trong
khi điện áp ắc quy chỉ có 13,5V
Bộ điều khiển PWM không có khả
năng điều khiển điện áp dư do bộ
điều khiển này chỉ có khả năng
điều khiển sạc với điện áp tương
đương cho ắc quy
-Bộ điều khiển MPPT có khả năngtối ưu tìm điểm công suất cực đại
do đó bộ điều khiển này có hiệusuất cao hơn PWM từ 20-25%
Tuy nhiên ở nhiệt độ cao hơn thìđiện áp của tấm pin mặt trời sẽgiảm xuống có thể đến gần bằngđiện áp của ắc quy do đó sự chênhlệch hiệu suất giữa hai hệ thốngkhông còn quá lớn
Khả năng
ứng dụng
Khi sử dụng bộ điều khiển sạc này
thì điện áp định mức của pin mặt
trời và điện áp định mức của ắc quy
Trang 38Bộ điều khiển sạc PWM thường chỉ
Hình 2.22: Giao diện lập trình của arduino ide.
Để lập trình ta chỉ cần soạn thảo chương trình với ngôn ngữ C dành cho arduino
Và sau khi đã lập trình xong ta cần biên dịch compile để kiểm tra lỗi bằng biểu tượng
dấu tích trên thanh công cụ
Trang 39Nếu chương trình báo không có lỗi thì ta có thể upload chương trình lên arduino thông qua cáp nạp.
2.2.3.2 Chương trình điều khiển
Start
V1>V2 Và V2≤SP1
D = Chu kỳ hiệu suất PWM
Hình 2.23: Thuật toán điều khiển cho mạch sạc pin mặt trời
Chương trình điều khiển:
#define PWM 3 // pin-3 su dung cap tin hieu PWM
#define Load 2 // pin-2 su dung dieu khien cho phep cap tai
#define Dien_ap_solar A0 // chan doc gia tri dien ap pin mat troi pin A0
#define Dien_ap_battery A1 // Chan doc gia tri dien ap ac quy pin A1
#define CB_NHIET A3 // LM 35 cam bien nhiet do pin A3
#define Led_red_bat 5
Trang 40#define Led_blue_bat 7
#define Led_red_load 8
#define Led_green_load 9
#define So_TB 10.0 //so lan trung binh doc gia tri analog
#define Min_of_bat 7.0 // gia tri be nhat cua ac quy cho phep hoat dong
#define Max_of_bat 15.0 // gia tri lon nhat cua ac quy
#define BULK_CH_SP 14.4 // muc dien ap cua ac quy cho phep dat duoc khi sac