Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy

Nên việc sử dụng năng lượng mặt trời có ý nghĩa nghĩa quan trọng trong việc tạo nên một môi trường xanh.. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch , vô tận có khả n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI VÀ

MẠCH SẠC MPPT CHO ẮC QUY

GVHD: LÊ THANH LÂM SVTH: LÊ TRUNG HIẾU MSSV: 15142029

SKL 0 0 5 7 9 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019

ĐỀ TÀI:

MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI VÀ MẠCH

SẠC MPPT CHO ẮC QUY

SVTH: LÊ TRUNG HIẾU

MSSV: 15142029

Khóa : 2015 -2019

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GVHD: Th.S LÊ THANH LÂM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

1 Tên đề tài: Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Phạm Quang Huy- Lê Cảnh Trung, Lập trình điều khiển với ARDUINO, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật

- Đặng Đình Thống (2008), Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật

- Hoàng Ngọc Văn (2010), Giáo trình Điện Tử Công Suất , trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Xây dựng thuật toán, lưu đồ giải thuật có thể điều khiển được tấm pin quay theo hướng mặt trời

- Nghiên cứu đặt tuyến của tấm pin mặt trời, từ đó thiết kế mạch MPPT

- Nghiên cứu các giải thuật MPPT kết hợp với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC từ đó thiết kế và thi công thực tế

- Đánh giá toàn bộ bài luận văn Từ đó có hướng phát triển cho đề tài

4 Sản phẩm:

- Mô hình ứng dụng pin năng lượng mặt trời sử dụng tưới tiêu trong nông

nghiệp

- Quyển báo cáo đề tài

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2019

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên: Lê Trung Hiếu MSSV: 15142029 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử

Tên đề tài: Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy

Họ và tên Giáo viên phản biện: Ts.Nguyễn Phan Thanh

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

- Giải pháp đưa ra không có tính mới

- Nội dung đồ án đầy đủ, ở mức Khá

- Phương pháp nghiên cứu phù hợp

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2019

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

Trong suốt quá thời gian làm đồ án, với sự cố gắn làm việc miệt mài, chăm chỉ của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô và sự đóng góp ý kiến của toàn thể các bạn trong lớp, em đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp được giao tại trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Do hạn chế về trình độ cũng như kinh nghiệm, chắc chắn rằng đồ án sẽ còn nhiều điểm thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng nhiệt tình từ quý thầy cô và các bạn để em có thể cải tiến thêm, có thêm nhiều ý tưởng mới, để cho đề tài nghiên cứu này không chỉ giới hạn là một

đề tài hoàn thành khóa luận tốt nghiệp mà nó còn có thể áp dụng trong thực tiển đời sống

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả Qúy Thầy Cô Khoa Điện-Điện

tử và Khoa Chất Lượng Cao giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!

TP.Hồ Chí Minh, ngày……, tháng 7, năm 2019 Thực hiện:

LÊ TRUNG HIẾU

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài này mang tính thực tiễn áp dụng những kiến thức đã học trong trường

để áp dụng vào trong cuộc sống thực tế

Đề tài sẽ sinh viên thực hiện hiểu rõ thêm về cơ cấu và nguyên lý làm việc thực tiễn cũng quá trình hoạt động của pin mặt trời biến đổi quan năng thành điện năng

Về mặt thực tiễn, dựa vào nguyên lí đó chúng ta có thể áp dụng vào thức tế để phục cho sản xuất và sinh hoạt hằng ngày ví dụ: chiếu sáng, điều khiển động cơ,

Cho nên với đề tài :”Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy” Em thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thành những phần

sau :

 Xây dựng mô hình điều hướng pin mặt trời Gồm có :

 Thiết kế và thi công phần khung cơ khí đỡ tấm pin

 Điều khiển quay tấm pin mặt trời bằng Arduino

 Sử dụng Arduino để lập trình mạch sạc MPPT cho ắc quy

 Chế độ sạc cho ắc quy dùng mạch buck

 Dùng mạch chuyển đổi DC/DC để khuếch đại công suất điều khiển động cơ

 Thiết kế giao diện và điều khiển, giám sát thông qua màng hình LCD, sử dụng phần mềm Arduino để viết chương trình và thiết kế mạch sử dụng phần mềm Altium

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪNError! Bookmark not defined.ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT ĐỀ TÀI v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Tầm quan trọng đề tài 1

1.3 Nhiệm vụ đề tài 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Khái quát về năng lượng mặt trời 3

2.1.1 Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời 5

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời 5

2.1.3 Các ứng dụng thực tiễn của pin mặt trời 8

2.2 Driver L298 11

2.2.1 Cấu tạo của Driver L298 11

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Driver L298 12

2.3 Board điều khiển Arduino UNO 13

2.4 Động cơ DC 15

2.4.1 Động cơ DC điều hướng tấm pin mặt trời 15

2.4.2 Động cơ bơm DC 24V 15

2.5 Màn hình LCD 20x4 16

2.6 Ắc quy 18

2.7 Mạch giảm áp LM2596 19

2.8 Phần mềm Arduino 19

2.9 Phần thiết kế Altium 21

CHƯƠNG 3: 22

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI 22

3.1 Phần cứng của mô hình điều hướng pin mặt trời 22

3.1.1 Phần cơ khí 22

3.1.2 Phần truyền động 22

3.1.3 Phần điều khiển 23

3.1.3.1 Mạch quang trở 24

3.1.3.2 Cảm biến quang trở lắp trên mô hình 25

3.2 Phương pháp điều hướng 26

3.2.1 Kết nối phần cứng 26

3.2.2 Lưu đồ điều hướng 27

CHƯƠNG 4: 30

THIẾT KẾ MẠCH SẠC MPPT VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 30

4.1 Phương pháp điều khiển sạc MPPT 30

4.1.1 Tác dụng của mạch sạc năng lượng mặt trời 30

4.1.2 Phương pháp sạc MPPT 30

4.2 Thiết kế mạch diều khiển sạc ắc quy MPPT 32

4.2.1 Mạch sạc MPPT Buck converter 33

4.2.1.1 Phương pháp dò điểm làm việc cực đại 33

4.2.1.2 Tính toán thiết kế mạch sạc Buck 36

4.2.2 Vẽ mạch sạc MPPT trên Altium 40

4.2.3 Thế kế mạch Boost converter 41

4.2.3.1 Giới thiệu 41

4.2.3.2 Tín toán chọn linh kiện 43

4.2.4 Vẽ mạch Boost trên Altium 43

CHƯƠNG 5: 45

KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH 45

5.1 Hình ảnh mô hình sau khi hoàn thành 45

5.2 Kết quả thực nghiệm 47

CHƯƠNG 6: 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49

6.1 Kết luận 49

6.2 Các kết quả đạt được 49

6.3 Các hạn chế của đề tài 49

6.4 Hướng phát triển 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LDR : Light-Dependent Resistor

PV : Photovoltaics (Pin Quang Điện)

MPPT : Maximum Power Point Tracking (Dò tìm điểm công suất cực đại)

MPP : Maximum Power Point (điểm công suất cực đại)

P&O : Perturb and Observe (nhiễu loạn và quan sát)

PWM : Pulse Width Modulation (điều chế độ rộng xung)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các trạng thái điều khiển động cơ của 1 cầu A của L298 12

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của board Arduino UNO 14

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của LCD 20x4 17

Bảng 4.1: Thông số của cảm biến đo dòng ACS712_5A 38

Bảng 4.2: Thông số của IC IR2104 39

Bảng 4.3: Thông số tính toán linh kiện mạch boost 43

Bảng 5.1 Tổng hợp so sánh giữa lý thuyết và thuật toán tìm GMPPT được đề xuất trong luận văn 48

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 2.1: Bảng đồ bức xạ mặt trời ở Việt Nam(Nguồn: Internet) 4

Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời 5

Hình 2.3: Mạch điện tương đương của pin mặt trời 5

Hình 2.4: Mô hình pin mặt trời lý tưởng 7

Hình 2.5: Mô đun pin mặt trời 7

Hình 2.6: Đặt tuyến V-I của các bức xạ khác nhau 8

Hình 2.7: Đặt tuyến V-P của các bức xạ khác nhau 8

Hình 2.8: Xe điện chuẩn bị cho giải đua 9

Hình 2.9: Đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời 9

Hình 2.10: Đèn sử dụng năng lượng mặt trời 10

Hình 2.11: Hệ thống phun nước bằng nhựa và kim loại 10

Hình 2.12: Hệ thống máy bơm sử dụng pin mặt trời 11

Hình 2.13: Module diver L298 11

Hình 2.14: Mạch nguyên lý diver L298 12

Hình 2.15: Board Arduino UNO 13

Hình 2.16: Động cơ giảm tốc DC 12V 15

Hình 2.17: Động cơ bơm DC 24V 15

Hình 2.18: Màn hình LCD 20x4 16

Hình 2.19: Ắc quy 12V-3.5A 18

Hình 2.20: Mạch giảm áp LM2596 19

Hình 2.21: Chu trình làm việc của arduino 20

Hình 2.22: Giao diện viết trương trình Arduino 20

Hình 2.23: Giao diện Altium 21

Hình 3.1: Phần khung cơ khí đỡ tấm pin 22

Hình 3.2: Truyền động trục đứng và trục ngang 23

Hình 3.3: Board mạch điều khiển hai động cơ DC để điều hướng 23

Hình 3.4: Cảm biến quang trở 24

Hình 3.5: Mạch cầu phân áp sử dụng LDR 24

Hình 3.6: Datasheet của LDR hãng SUNROM 25

Hình 3.7: Module cảm biến quang trở được dùng trong mô hình 25

Hình 3.8: Sơ đồ kết nối phần cứng 26

Hình 3.9: Sơ đồ khối phần cứng 26

Hình 3.10: Lưu đồ chương trình chính 27

Hình 3.11: Lưu đồ chương trình con điều khiển động cơ 28

Hình 3.12: Lưu đồ chương trình con ngắt timer1 28

Hình 3.13: Lưu đồ chương trình con ngắt công tắc hành trình 29

Hình 4.1: Đặt tuyến V-I P-V của pin mặt trời tại điểm công suất cực đại 31

Hình 4.2: Đồ thị điều chế độ rộng xung PWM 31

Hình 4.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển sạc MPPT 32

Hình 4.4: Sơ đồ khối mạch MPPT 33

Hình 4.5: Tổng trờ vào RIN được điiều chỉnh bằng D 34

Hình 4.6: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 35

Hình 4.7: Lưu đồ thuận toán phương pháp P&O 35

Hình 4.8: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 36

Hình 4.9: Cảm biến ACS712_5A 37

Hình 4.10: sơ đồ kết nối của ACS712_5A 38

Hình 4.11: IC IR2104 39

Hình 4.12: Lưu đồ điều khiển mạch Buck MPPT 40

Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch Buck MPPT 41

Hình 4.14: Sơ đồ mạch in Buck MPPT 41

Hình 4.15: Mạch sạc MPPT hoàn thành 41

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lí mạch Boost 42

Hình 4.17: Dạng sóng dòng điện trên mạch Boost 42

Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 43

Hình 4.19: Sơ đồ mạch in Boost 43

Hình 4.20: Mạch Boost hoàn thành 44

Hình 4.21: Mạch điều khiển hoàn chỉnh 44

Hình 5.1: Mô hình hoàn thiện 45

Hình 5.2: Module mạch sạc và module điều hướng được lắp lên tủ 46

Hình 5.3: Tổng thể mô hình từ phía sau 46

Hình 5.4: Mô hình nhìn từ hai phía 47

Hình 5.5: Tổng thể mô hình hoàn thiện 47

Hình 5.6: Công suất và điện áp PV 48

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Việc sử dụng năng lượng sạch thay thế cho việc sử dụng năng lượng hóa thạch đang can kiệt được xem là bài toán tối ưu về vấn đề thiếu hụt năng lượng cũng như sự ô nhiễm môi trường đang diễn ra hằng ngày Nên việc sử dụng năng lượng mặt trời có ý nghĩa nghĩa quan trọng trong việc tạo nên một môi trường xanh

Nước ta là một nước nông nghiệp, có đến 70% dân số lao động trong lĩnh vực này Vì vậy, sản xuất nông nghiệp đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, đóng góp khoảng 24% GDP, gần 30% giá trị hàng hóa xuất khẩu

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch , vô tận có khả năng thay thế các nguồn năng lượng dầu mỏ.Việc nghiên cứu và sử dụng nguồn năng lượng này có tiềm năng, khả năng thực tiễn rất khả quan.Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần phải giải quyết để cho nguồn năng lượng này được giải quyết để cho nó phổ biến đó chính là tấm pin thu năng lượng mặt trời phụ thuộc vào bức xa mặt trời và hiệu suất tấm pin còn khá thấp chỉ khoảng 5-15% cùng với giá thành pin cao để giải quyết vấn đề em có những đề xuất giải quyết như sau:

- Điều khiển tấm pin quay theo hướng bức xạ của mặt trời để thu được nhiều bức xạ nhất Thông thường thì tấm pin thu bức xạ mặt trời là cố định Tuy nhiên do trái đất quay quanh trục nên bức xạ mặt trời mặt trời luôn thay đổi hằng ngày Chính vì thế cho nên tấm pin mặt Trời không thể thu được lượng bức xạ tối đa được Do đó việc điều hướng 2 trục sẽ giúp tấm pin luôn vuông góc với hướng bức xạ mặt trời lớn nhất

- Sử dụng mạch sạc MPPT để sạc cho ắc quy Do hiệu suất chuyển đổi tấm pin rất thấp nên việc sử dụng mạch MPPT sẽ giúp thu được tối đa của tấm pin, nâng cao hiệu quả của tấm pin và nâng cao hiệu quả khi

sử dụng tấm pin mặt trời

- Sử dụng mạch BOOST để điều khiển động cơ có công suất vừa phục

vụ tưới tiêu nâng cao hiệu quả sản xuất và tận dụng được tối đa nguồn năng lượng mặt trời có sẵn trong nông nghiệp

Do đó em chọn đề tài :”Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy” Để giải quyết 3 vấn đề nêu trên phương pháp năng cao hiệu

sức sử dụng tấm pin cũng như những ứng dụng thực tiễn trong đời sống

1.2 Tầm quan trọng đề tài

Đây là một đề tài nghiên cứu mang tính thực tiễn trong việc vận dụng các

kiến thức đã được học vào trong thực tế

Về mặt khoa học, đề tài sẽ giúp cho sinh viên thực hiện hiểu rõ thêm về cơ cấu và nguyên lý làm việc thực tiễn cũng như phương hướng phát triển của pin mặt trời trong thực tế

Về mặt thực tiễn, đề tài này có thể áp dụng vào thực tế để sử dụng cho tưới tiêu trong nông nghiệp đình giảm bớt sử ô nhiễm môi trường do năng lượng hóa thạch gây ra và giảm bớt giá điện cho người nông dân khi sử dụng điện lưới quốc gia

Với những lý do trên, em quyết định chọn đề tài :”Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy”

1.3 Nhiệm vụ đề tài

Với thời gian 15 tuần thực hiện đề tài, cũng như trình độ chuyên môn có hạn,

em đã cố hết sức để thực hiện đề tài này và đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Hoàn thành tập đồ án

- Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

- Điều hướng tấm pin để nâng cao khả năng thu sáng

- Tính toán, thiết kế bộ sạc MPPT cho ắc quy sử dụng năng lượng từ tấm pin

- Giám sát và quản lí thông qua màn hình LCD

- Tự kiểm tra và ngắt sạc khi ắc quy đã sạc đầy

- Thiết kế mạch boost để khuếch đại công suất điều khiển động cơ DC

- Thiết kế và thi công hoàn chỉnh

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tương nghiên cứu chính là tấm pin mặt trời, nghiên cứu về phương pháp nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, thi công mạch sạc ắc quy từ tấm pin và ứng dụng của tấm pin nâng tầm quan trọng của nó trong việc phát triển nông nghiệp nước nhà Thi công mô hình pin mặt trời sử dụng bộ điều hướng giúp nâng cao hiệu quả sử dụng pin mặt trời

Điều chỉnh góc quay của tấm pin mặt trời sao cho mặt trời với tấm pin luôn vuông góc với nhau thông qua động cơ DC điều khiển 2 trục và bộ xử lý trung tâm sao cho mọi thời điểm tấm pin đều nhận được lượng bức xạ lớn nhất Sử dụng cảm biến quang để nhận biết ánh sáng, gửi tín hiệu analog về module Arduino Uno xử lý

để diều khiển động cơ DC quay theo hướng mặt trời Nhằm đạt công suát đầu ra là cực đại

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Xây dựng thuật toán, lưu đồ giải thuật có thể điều khiển được tấm pin quay theo hướng mặt trời

- Thi công mô hình điều hướng thực tế với tâm pin mặt trời 40W

- Nghiên cứu đặt tuyến của tấm pin mặt trời, từ đó thiết kế mạch MPPT

- Nghiên cứu các giải thuật MPPT kết hợp với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC từ đó thiết kế và thi công thực tế

- Phân tích các kết quả nhận được và kiến nghị

- Đánh giá toàn bộ bài luận văn Từ đó có hướng phát triển cho đề tài

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát về năng lượng mặt trời

Ngày nay, với nền công nghiệp không ngừng phát triển, dân số trên thế giới ngày càng tăng thì nguồn năng lượng càng thể hiện rõ tầm quan trọng của nó Các nguồn năng lượng hóa thạch được con người khai thác và đưa vào sử dụng như dầu mỏ, than đá,… ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường sống gây ra tác động xấu về biến đổi khí hậu

Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều, đang được con người nghiên cứu và đưa vào sử dụng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch vì đây là các nguồn năng lượng sạch và vô tận và không gây ô nhiễm môi trường Tận dụng tốt được nguồn năng lượng sạch này sẽ giải quyết được bài toán năng lượng tương lai

So với năng lượng gió, năng lượng thủy triều,… thì năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường.Nguồn năng lượng này được con người khai thác và sử dụng hiện nay dưới hai dạng chính đó là nhiệt năng và điện năng.Trong đó điện năng là hình thức khai thác phổ biến nhất của năng lượng mặt trời

Những lợi ích to lớn mà nguồn năng lượng mặt trời đem lại giúp còn người ứng dụng vào thực tiễn rộng rãi Nghiên cứu cứu nhằm mục đích phục vụ cho việc

sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho họ gia đình Trong đó, việc biến đổi năng lượng điện quan năng thành năng lượng điện 1 chiều, đặt biệt là thiết kế hệ thống xoay pin theo hướng nắng, Phương pháp dò điểm công suất cực đại quay tấm pin mặt trời và phương pháp sạc dự trữ năng lượng để thuận tiện cho việc sử dụng và lưu trữ

Trong đề tài này em tìm hiểu về năng lượng mặt trời, phương pháp điều khiển tấm pin xoay theo hướng mặt trời và thiết kế xây dựng mô hình điều hướng của tấm pin mặt trời, tính toán thiết kế mạch sạc ắc quy, mạch công suất cung cấp cho tải 1 chiều Do kinh nghiệm thực tế và kiến thức chưa được nhiều nên khó tránh khỏi sai sót trong quá trình hực hiện đề tài em rất mong sự góp ý của các thầy cô

Hình 2.1: Bảng đồ bức xạ mặt trời ở Việt Nam(Nguồn: Internet)

2.1.1 Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời (pin quang điện) là một thiết bị được cấu tạo từ những vật liệu bán dẫn có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Một tấm pin quang điện điển hình bao gồm lớp chuyển tiếp p-n hình thành trong một vật liệu bán dẫn như hình 2.2 Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời, năng lượng từ ánh sáng (các photon) tạo ra các hạng mang điện tự do, được tách ra khỏi điện trường Điện áp được tạo ra và đo được tại các điểm tiếp xúc bên ngoài, vì vậy ta đo được giá trị dòng quang điện khi có tải kết nối vào Dòng quang điện được tạo ra trong tấm pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ

Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức

xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin mặt trời

Hình 2.3: Mạch điện tương đương của pin mặt trời

Mạch điện gồm có có dòng điện IPH, điốt, điện trở dòng rò RSH, và điện trở nối tếp RS, đặt tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức 2.1[3,27]:

𝐼 = 𝐼𝑃𝐻− 𝐼𝑆⌊𝐸𝑋𝑃 ( 𝑞

𝐾𝑇𝐶𝐴(𝑉 + 𝐼𝑅) − 1) −𝑉+𝐼𝑅𝑆

𝑅𝑆𝐻 ⌋ (2.1) Trong đó:

IPH: dòng quang điện(A)

IS: dòng bảo hòa(A)

q: điện tích của electron, q=1,6x10-19C

k: hằng số Boltzmann, k=1,38x1022J/K

TC: nhiệt độ vận hành của pin(K)

A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono A=1.2, Si-PoLy A=1.3,…

Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin [3,27]:

𝐼𝑃𝐻 = [𝐼𝑆𝐶 + 𝐾𝐼(𝑇𝐶 − 𝑇𝑅𝑒𝑓)]𝜆 (2.2)

Trong đó:

ISC: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25℃ (A) và bức xạ mặt 1kW/m2

KI: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/℃)

TC: nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)

TRef: nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K)

λ: bức xạ mặt trời (KW/m2)

Mặt khác, dòng bão hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ [3,27]:

IRS: dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)

EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò RSH=∞, RS=0 Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.2:

Hình 2.4: Mô hình pin mặt trời lý tưởng

Khi đó, biểu thức (2.1) có thể mô tả như biểu thức 2.4

𝐼 = 𝐼𝑃𝐻− 𝐼𝑆⌊𝑒𝑥𝑝 ( 𝑞𝑉

𝑘𝑇 𝐶 𝐴− 1)⌋ (2.4) Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như biểu thức 2.5

𝐼𝑅𝑆 = 𝐼𝑆𝐶

𝑒𝑥𝑝( 𝑞𝑉𝑂𝐶 𝑘𝐴𝑇𝑅𝑒𝑓)−1

(2.5)

Thường công suất pin mặt trời khoảng 2W và điện áp khoảng 0.5V Vì vậy, các pin mặt trời được nối với nhau dưới dạng nối tiếp-song song để sinh ra công suất và điện áp đủ lớn Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có NP nhánh song song với NS pin nối tiếp được mô tả như hình 2.5

Hình 2.5: Mô đun pin mặt trời

Mạch điện hình 2.5 được miêu tả bởi biểu thức:

𝐼 = 𝑁𝑃𝐼𝑃𝐻− 𝑁𝑃𝐼𝑆⌊𝑒𝑥𝑝 ( 𝑞𝑉

𝑁 𝑆 𝑘𝑇 𝐶 𝐴− 1)⌋ (2.6) Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp

thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành có thể cao hơn nhiệt độ thường Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường(NOCT)

Đặt tuyến I-V tương ứng với bức xạ nhất định được mô tả như sau:

Hình 2.6: Đặt tuyến V-I của các bức xạ khác nhau

Hình 2.7: Đặt tuyến V-P của các bức xạ khác nhau

2.1.3 Các ứng dụng thực tiễn của pin mặt trời

Xe điện: xe ô tô năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm pin mặt

trời trên mui xe Còn đối với xe đạp năng lượng mặt trời thì các tấm năng lượng mặt trời được gắn trên áo của người sử dụng xe Những loại xe này thường sử dụng nhằm mục đích trình diễn và thử nghiệm về kỹ thuật Người láy xe có thể theo dõi lượng năng lượng tiêu hao và lượng năng lượng mặt trời thu được qua các đồng hồ lắp trên xe

Trên thế giới hiện này có 1 giải đua xe năng lượng mặt trời, trong đó có giải tương đối nổi tiếng là giải The World Solar Challenge được tổ chức ở Úc với quy địng người tham gia phải vượt qua quãng đường dài nhất 3.000km xuyên qua nước Úc

Giari thứ hai là The North American Solar Challenge lần đầu được tổ chức vào năm

2008 với chặn đua từ bang Texas-Hoa Kỳ đến Canada

Hình 2.8: Xe điện chuẩn bị cho giải đua

Đèn giao thông: đèn tính hiệu giao thông sử dụng pin mặt trời có ưu điểm

không cần sử dụng dây điện và khá linh hoạt, có thể tiết kiệm khá nhiều tiến điện khi hoạt động liên tục trong thời gian dài Chúng được thiết với một số bóng đèn Led thân thiện với môi trường và không cần sạc lại trong thời gian khá lâu Trong trường hợp mất điện lưới đền tính hiệu giao thông vẫn hoạt động bình thường

Hình 2.9: Đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời

Chiếu sáng: Pin mặt trời dùng để chiếu sáng ở những nơi chưa có điện như

vùng núi đồi hẻo lánh, vùng hải đảo,

Hình 2.10: Đèn sử dụng năng lượng mặt trời

Hệ thống tưới tiêu trong trồng trọt: Tấm pin mặt trời sẽ tích điện để vận

hành máy bơm, tưới cho cây trồng Với hệ thống bơm này, người nông dân dường như không mất chi phí tiền điện Bây giờ, rất nhiều vùng trên thế giới, không chỉ thiếu điện mà nguồn nước cũng rất hạn chế do biến đổi về thời tiết Thông qua công nghệ tưới nhỏ giọt, nông dân có thể tiết kiệm nguồn nước và chủ động hơn trong việc bảo vệ mùa màng”, ông Maoz Aviv giới thiệu về công nghệ tưới tiêu hiện đại

sử dụng năng lượng mặt trời

Với ý tưởng này, người nông dân ở những vùng sâu, vùng xa không có điện lưới vẫn có thể ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp Theo nghiên cứu của NaanDan Jain, với công nghệ tưới nhỏ giọt, sản lượng nông sản tăng lên một cách rõ rệt Công nghệ này đã được ứng dụng ở cả những vùng mà nguồn nước rất hạn chế như hoang mạc Sahara

Hình 2.11: Hệ thống phun nước bằng nhựa và kim loại

Hình 2.12: Hệ thống máy bơm sử dụng pin mặt trời

Với 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt qua các chân 5, 7,

10, 12 của L298 Đây là các chân nhận tính hiệu điều khiển

Với 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298 Các chân này sẽ được kết nối với động cơ

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Driver L298

Hình 2.14: Mạch nguyên lý diver L298

Hai chân ENA và ENB dùng để diều khiển mạch chân cầu H trong L298 Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thi mạch cầu H không hoạt động

Cách điều khiển chiều quay với L298:

Bảng 2.1: Các trạng thái điều khiển động cơ của 1 cầu A của L298

Thông số kỹ thuật:

- Driver: L298N tích hợp 2 mạch cầu H

- Điện áp nguồn cấp: +5V ~ +50V

- Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

- Điện áp của tính hiệu điều khiển: +5V ~ +7V

- Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36Ma

- Công suất mỗi cầu: 25W(khi nhiệt độ T=75℃)

- Nhiệt độ bảo quản: -25℃ ~ +130℃

2.3 Board điều khiển Arduino UNO

Hình 2.15: Board Arduino UNO

Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm

xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được

gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các

chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại

I²C-8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một

vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232

Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduino không chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)

Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard

Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Một vài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau

Trong đề tài này, board Arduino được dùng làm bộ vi xử lý trung tâm cho điều hướng và mạch MPPT Nó có chức năng đọc các tính hiệu analog từ ác quan trở thông qua các chân từ chân A0 đến A5, tín hiệu này là tín hiệu điện áp phạm vi

đo là từ 0-5VDC Các tín hiệu Digital đọc được từ các công tắc thông qua chân Digital từ D0 đến D13 Các chân digital này có chân năng xuất tín hiệu điều khiển động DC Ngoài ra các chân này có chế độ PWM cho phép điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của board Arduino UNO

Vi điều khiển ATmega328 họ 8 bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Số chân Analog 6 (độ phân gải 10bit)

Bộ nhớ flash 32KB (ATmega 328) với 0.5KB dùng

Động cơ giảm tốc 25GA 370 12V 280rpm

Động cơ DC giảm tốc GA25 thích hợp với các ứng dụng xe mô hình, robot, ổ khóa điện tử, thiết bị thông minh,…

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp cung cấp: 6~18VDC

 Tốc độ sau hộp 280 rpm

 Moment xoắn: 2,2 kg.cm = 0,216 N.m

 Dòng điện khô tải: 50Ma

2.4.2 Động cơ bơm DC 24V

Hình 2.17: Động cơ bơm DC 24V

Thông số kỹ thuật:

 Nơi xuất xứ: Fujian, China (Mainland)

 Tiêu chuẩn hoặc Phi Tiêu Chuẩn: Phi tiêu chuẩn

 Giấy chứng nhận: CE ROHS Giấy Chứng Nhận

 Chất liệu: Nhựa

 Tính năng: Hiệu Quả cao, Thân Thiện Với Môi, Tiếng Ồn Thấp, Cuộc Sống Lâu Dài, Tiết Kiệm Năng Lượng

 AC/DC Điện Áp: DC 12.0 ~ 24.0 V

 Miễn phí Lưu Lượng: > 2.2 l/min

 Max áp lực: 100kPa

2.5 Màn hình LCD 20x4

Hình 2.18: Màn hình LCD 20x4

LCD 20x4 là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ hoặc số trong bảng mã ASCII Mỗi ô của Text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, các chấm này kết hợp với nhau theo trình tự “ẩn” hoặc “hiện” sẽ tạo nên các kí tự cần hiển thị và mỗi ô chỉ hiển thị được một kí tự duy nhất

LCD 20x4 nghĩa là loại LCD có 4 dòng và mỗi dòng chỉ hiển thị được 20 kí tự Đây là loại màn hình được sử dụng rất phổ biến trong các loại mạch điện

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động là 5 V

 Kích thước: 5.1 inch

 Chữ trắng, nền xanh dương

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard

 Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện

 Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của LCD 20x4

Chân Ký

hiệu

Mô tả

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này

với GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân

này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD

4

RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với

logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi + Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

5

R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với

logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic

“1” để LCD ở chế độ đọc

6

E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên

bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

2.6 Ắc quy

Hình 2.19: Ắc quy 12V-3.5A

Thông tin chi tiết:

- Loại: Ắc quy xe máy Đồng Nai PTX5L 3.5ah-12v

- Hãng sản xuất: Pinaco

- Xuất xứ: Việt Nam

- Được cung cấp cho các hãng xe nổi tiếng như Honda, Yamaha, Suzuki

- Sản phẩm được ưa chuộng nhất từ người tiêu dùng, phù hợp với các loại xe phổ biến nhất hiện nay như Wave, Future, Mio, Nozza, Exciter

+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7