ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

MỞ ĐẦU1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN3 1.1. Pin năng lượng mặt trời3 1.1.1. Cấu tạo3 1.1.2. Phân loại4 1.1.3. Nguyên lí hoạt động6 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI8 2.1. Mục đích thiết kế8 2.2. Tính toán thiết kế mô phỏng8 2.3. Một số hình ảnh về mô phỏng9 2.4. Nguyên lí hoạt động của mặt mô phỏng10 2.4.1. Mạch đèn giao thông được mô phỏng trên Proteus10 2.4.2. Mạch còi báo đi nhanh11 2.4.3. Mạch nguồn và ngăn quá áp12 2.5. Lập trình Arduino14 KẾT LUẬN17

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN CUỐI KÌ ĐÈN GIAO THƠNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Môn học: Năng lượng ô tô GVHD: Trần Thanh Thưởng LỚP: Chiều thứ 5-6, tiết 7-9 Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 THÀNH VIÊN STT MSSV HỌ VÀ TÊN NHIỆM VỤ Tham gia tích cực hoạt động 19145394 Thái Văn Huy nhóm, nêu mục đích thiết kế phần kết luận 19145398 Trang Ngọc Bảo Hưng Tham gia tích cực hoạt động nhóm, phân cơng nhiệm vụ, tổng hợp nội dung Tham gia tích cực hoạt động 19145499 Phạm Anh Tuấn nhóm, nêu lí chọn đề tài tính tốn thiết kế mơ KẾT QUẢ Hoàn thành tốt Hoàn thành tốt Hoàn thành tốt Tham gia tích cực hoạt động 19145471 Tơ Ngọc Minh Thơng nhóm, nêu cấu tạo, phân loại nguyên lí hoạt động pin lượng mặt trời Tham gia tích cực hoạt động 19145352 Phạm Ngọc Duy nhóm, thiết kế mạch Proteus, viết code Arduino Tham gia tích cực hoạt động 19145119 Nguyễn Minh Tân nhóm, nêu cấu tạo, phân loại nguyên lí hoạt động pin lượng mặt trời Hoàn thành tốt Hoàn thành tốt Hoàn thành tốt NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Điểm: Ngày… tháng… năm 2021 Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Pin lượng mặt trời 1.1.1 Cấu tạo 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Nguyên lí hoạt động CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG MƠ HÌNH ĐÈN GIAO THƠNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Mục đích thiết kế 2.2 Tính tốn thiết kế mơ 2.3 Một số hình ảnh mơ 2.4 Nguyên lí hoạt động mặt mô .10 2.4.1 Mạch đèn giao thông mô Proteus 10 2.4.2 Mạch còi báo nhanh 11 2.4.3 Mạch nguồn ngăn áp 12 2.5 Lập trình Arduino 14 KẾT LUẬN 17 MỞ ĐẦU Năng lượng sử dụng lượng tiết kiệm, hiệu vấn đề cấp thiết phủ, ngành, địa phương quan tâm Trong nguồn lượng tái tạo, lượng mặt trời nguồn lượng có tiềm lớn, cung cấp phạm vi rộng Việc phát triển ứng dụng lượng mặt trời đáp ứng phần nhu cầu điện sử dụng sản xuất, đời sống sinh hoạt người dân, góp phần bảo vệ mơi trường chống biến đổi khí hậu Cơng nghệ, thiết bị sử dụng lượng mặt trời hồn thiện thương mại hóa khơng nước giới, mà Việt Nam ứng dụng lượng mặt trời để đáp ứng nhu cầu sử dụng lượng với quy mô nhỏ khu vực chưa thể nối lưới điện phát triển mạnh đạt hiệu cao Trong năm gần đây, Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn lượng mặt trời, ứng dụng công nghệ quang điện tiên tiến để cấp điện quang nhiệt nhằm cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu người dân đồng thời phát triển kinh tế, xã hội Trong đó, nguồn lượng mặt trời đánh giá dồi dào, phong phú nguồn lượng có tính chiến lược Khơng cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà cịn nguồn bổ sung quan trọng cho hệ thống lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh lượng bảo vệ môi trường sống Việt Nam ứng dụng lượng mặt trời để cấp điện, nhiều địa phương nước sử dụng lượng mặt trời chiếu sáng công cộng Hệ thống đèn báo hiệu giao thông hạng mục cơng trình hạ tầng kỹ thuật quan trọng, tiêu thụ lượng điện tương đối lớn có nhiều tiềm để tiết kiệm Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng, nên việc ứng dụng giải pháp để sử dụng điện tiết kiệm, hiệu chiếu sáng công cộng nhận quan tâm nghiên cứu nhà khoa học Một biện pháp hiệu đề cập đến hệ thống đèn giao thông sử dụng lượng mặt trời Việc ứng dụng nguồn lượng dồi khơng giảm bớt gánh nặng chi phí tổn thất quốc gia mà cịn góp phần bảo vệ môi trường sống ngày bị tàn phá Nhận thức tầm quan trọng vấn đề, chúng em chọn đề tài “Hệ thống đèn giao thông sử dụng lượng mặt trời” mô phần mềm Proteus để kiểm định tính hoạt động hiệu Với kinh nghiệm kiến thức với bảo tận tình Thầy Trần Thanh Thưởng chúng em hoàn thành đồ án thời gian quy định Trong trình thực đồ án, dù thành viên nhóm cố gắng, cộng với giúp đỡ nhiệt tình Thầy bạn bè, xong khả năng, tài liệu thời gian cịn hạn chế nên khó tránh khỏi sai sót Vì chúng em mong bảo thầy cô góp ý bạn bè để đồ án chúng em hoàn thiện Qua em xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ, bảo tận tình Thầy Trần Thanh Thưởng tạo điều kiện để chúng em hồn thành tốt đồ án Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Nhóm thực hiện: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Pin lượng mặt trời 1.1.1 Cấu tạo - Pin lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - phần tử bán dẫn có thành phần sillic tinh khiết - có chứa bề mặt số lượng lớn cảm biến ánh sáng điốt quang, thực biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Các tế bào quang điện bảo vệ kính suốt mặt trước vật liệu nhựa phía sau Tồn đóng gói chân khơng thơng qua lớp nhựa polymer suốt tốt Cường độ dòng điện, hiệu điện điện trở pin mặt trời thay đổi phụ thuộc lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 72 tế bào quang điện pin mặt trời) Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải bán dẫn silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết, gọi bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) electron số hạt tải lỗ trống (hole) Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm bán dẫn loại n bán dẫn loại p ghép lại với cho có tiếp xúc p - n Thực tế xuất phát từ phiến bán dẫn tinh khiết tức có nguyên tử Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào nguyên tử khác loại, gọi pha tạp  Cấu tạo module Pin mặt trời: Tấm kính phủ phía Tấm keo EVA Lớp Pin mặt trời Tấm keo EVA Tấm đáy  Nền tảng vật lý chất bán dẫn: Để tìm hiểu pin mặt trời, cần lý thuyết tảng vật lý chất bán dẫn Để đơn giản, miêu tả sau giới hạn hoạt động pin lượng tinh thể silic Silic thuộc nhóm IV, tức có electron lớp ngồi Silic kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ có loại chất rắn silicon, đa thù hình (khơng có trật tự xếp) tinh thể (các nguyên tử xếp theo thứ tự dãy không gian chiều) Pin lượng mặt trời phổ biến dùng đa tinh thể silicon Silic chất bán dẫn Tức thể rắn silic, tầng lượng định, electron đạt được, số tầng lượng khác khơng Các tầng lượng khơng phép xem tầng trống Lý thuyết theo thuyết học lượng tử Ở nhiệt độ phịng, Silic ngun chất có tính dẫn điện Trong học lượng tử, giải thích thất tế mức lượng Fermi tầng trống Để tạo silic có tính dẫn điện tốt hơn, thêm vào lượng nhỏ nguyên tử nhóm III hay V bảng tuần hồn hóa học Các ngun tử chiếm vị trí nguyên tử silic mạng tinh thể, liên kết với nguyên tử silic bên cạnh tương tự silic Tuy nhiên phân tử nhóm III có electron ngồi ngun tử nhóm V có electron ngồi cùng, nên có chỗ mạng tinh thể có dư electron cịn có chỗ thiếu electron Vì electron thừa hay thiếu electron (gọi lỗ trống) không tham gia vào kết nối mạng tinh thể Chúng tự di chuyển khối tinh thể Silic kết hợp với ngun tử nhóm III (nhơm hay gali) gọi loại bán dẫn p lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), phần kết hợp với nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi bán dẫn n mang lượng âm (negative) Lưu ý hai loại n p có lượng trung hịa, tức chúng có lượng dương âm, loại bán dẫn n, loại âm di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p 1.1.2 Phân loại Cho tới vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành loại: - Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trình Czochralski Đơn tinh thể loại có hiệu suất tới 16% Chúng thường mắc tiền cắt từ thỏi hình ống, đơn thể có mặt trống góc nối module Hình 1.1: Pin mặt trời tinh thể - Đa tinh thể làm từ thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận làm nguội làm rắn Các pin thường rẻ đơn tinh thể, nhiên hiệu suất Tuy nhiên chúng tạo thành vuông che phủ bề mặt nhiều đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp Hình 1.2: Pin mặt trời loại đa tinh thể - Dải silic tạo từ miếng phim mỏng từ silic nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể, Loại thường có hiệu suất thấp nhất, nhiên loại rẻ loại khơng cần phải cắt từ thỏi silicon Hình 1.3: Pin mặt trời làm từ miếng phim silic mỏng  Ngoài Si, người ta nghiên cứu thử nghiệm loại vật liệu khác có nhiều triển vọng Sunfit cadmi- đồng (CuCds), Galium- arsenit (GaAs) … 1.1.3 Nguyên lí hoạt động Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời - Khi photon chạm vào mảnh silic, hai điều sau xảy ra: + Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều thường xảy lượng photon thấp lượng để đưa hạt electron lên mức lượng cao + Năng lượng photon hấp thụ silic Điều thường xảy lượng photon lớn lượng để đưa electron lên mức lượng cao Khi photon hấp thụ, lượng truyền đến hạt electron màng tinh thể Thông thường electron lớp ngồi cùng, thường kết dính với ngun tử lân cận khơng thể di chuyển xa Khi electron kích thích, trở thành dẫn điện, electron tự di chuyển bán dẫn Khi nguyên tử thiếu electron gọi “lỗ trống” Lỗ trống tạo điều kiện cho electron nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống”, điều tạo lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống” Cứ tiếp tục “lỗ trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn Một photon cần có lượng lớn luợng đủ để kích thích electron lớp ngồi dẫn điện Tuy nhiên, tần số mặt trời thường tương đương 6000°K, nên phần lớn lượng mặt trời hấp thụ silic Tuy nhiên hầu hết lượng mặt trời chuyển đổi thành lượng nhiệt nhiều lượng điện sử dụng CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG MƠ HÌNH ĐÈN GIAO THƠNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Mục đích thiết kế - Thiết kế đơn giãn, nhỏ gọn, không cần đến dây điện giúp thuận lợi việc tháo lắp, sửa chữa tiết kiệm chi phí bảo dưỡng hệ thống - Hoạt động hoàn toàn tự động, tự động nạp lượng bật sáng đèn vào ban đêm, không cần đến người điều khiển hệ thống - Hoạt động hoàn tồn nhờ lượng mặt trời tiết kiệm chi phí điện, góp phần ý nghĩa quan trọng vào việc sử dụng lượng xanh - Các thiết kế đẹp mắt, chống lực va đập Các chip Led siêu sáng mang đến ánh sáng mạnh, ổn định không bị chói mắt - Hoạt động bình thường khơng phụ thuộc vào cố điện, có khả dự trữ điện cho ngày thiếu ánh mặt trời 2.2 Tính tốn thiết kế mơ - Mơ hình xây dựng nhằm đáp ứng mục tiêu đặt đề tài bao gồm: Chọn Arduino 5v 20mA Công suất arduino tiêu thụ = 5*20*= 0.1W Lượng điện tiêu thụ thiết bị tải: Q = 0.1x24 = 2.4 Công suất tiêu thụ pin mặt trời loại độc lập: W = Q / (H × f) = 2.4 / (3 x 0.75)  1.07W Trong đó: H – cường độ xạ ánh sáng mặt trời trung bình khu vực lắp đặt điện mặt trời Vì mơ Arduino nên chọn H = Wh/mm2/ngày f – hệ số hao hụt chuyển đổi, đường dây lấy 0.75 Vậy nên, ta chọn: TẤM PIN MẶT TRỜI 112X84MM (6V-180mA) với công suất W = 1.08W 2.3 Một số hình ảnh mơ Hình 2.1: Arduino Uno R3 Hình 2.2: Pin 5V Hình 2.3: Điện trở Hình 2.4: Tấm pin lượng mặt trời 6V-180mA 2.4 Nguyên lí hoạt động mặt mô Khi điện từ lượng mặt trời (ban ngày) acquy (ban đêm) cung cấp điện cho arduino, arduino nguồn ni cho tồn mạch 2.4.1 Mạch đèn giao thông mô Proteus Hình 2.5: Mạch đèn giao thơng mơ Proteus 10 *Nguyên lí hoạt động: Ta xét ngun lí hoạt động nhóm thiết bị gồm: arduino, bóng đèn led (biểu thị cho đỏ, xanh vàng), relay Từ nhóm cịn lại ngun lí hoạt động tương tự (Hình 2.5) Khi đèn xanh sáng chân cho mức cao 5V làm relay đóng lại từ dịng cấp cho đèn xanh Sau 40 giây chân 13 chân tắt ,khi chân tắt dịng cấp cho đèn đỏ relay (vì relay nhả chân 13 tắt làm cho dòng nối relay kín mạch), có dịng qua relay (dịng qua relay chân 13 tắt nên relay nhả cho dịng qua) relay đóng giúp dịng qua đèn vàng kín đồng thời qua relay làm relay đóng lại làm cho dịng qua đèn đỏ hở mạch đèn đỏ tắt đèn vàng sáng giây Sau giây chân 13 lên mức cao 5V làm relay đóng dịng qua relay bị hở làm realy nhả từ dịng từ relay tới relay làm relay đóng lại làm cho dịng qua đèn vàng bị hở, đèn vàng tắt đèn đỏ sáng 30 giây Sau 30 giây chân lên lại mức cao làm relay đóng đèn xanh sáng đèn đỏ tắt 2.4.2 Mạch còi báo nhanh *Nguyên lí hoạt động: Dịng từ đèn vàng 5v nên phải qua LM358 để có dịng 5v vào relay, có relay 5v, có dịng relay đóng làm hở dịng từ chân xuống mass, ic555 tạo xung coi kêu lên 11 Hình 2.6: Mạch cịi báo nhanh 2.4.3 Mạch nguồn ngăn q áp *Ngun lí hoạt động: Khi khơng có ánh sáng quang trở cực đại nên khơng có dịng qua làm cho Q1 khơng dẫn Q2 dẫn suy có dịng qua relay thơng qua Q2 relay đóng lại arduino lấy nguồn từ Acquy dừng sạc cho acquy Khi có ánh sáng quang trở cực tiểu nên có dòng vào chân B Q1 làm Q1 dẫn từ làm Q2 khơng dẫn suy khơng có dịng qua relay relay nhả Arduino lấy nguồn từ Pin mặt trời tiến hành sạc cho acquy Opame LM358 dùng để tránh tượng áp cho Acquy, chân nối từ Pin chân nối vào nguổn tiêu chuẩn Acquy, chân bị áp (điện áp chân lớn chân ) LM358 ngắt điện vào Acquy, tránh gây nổ bình 12 13 Hình 2.7: Mạch nguồn ngăn áp 14 2.5 Lập trình Arduino #define led1 #define led2 10 #define led11 11 #define led22 12 unsigned char ledseg[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0x C6,0xA1,0x86,0x8E,0xBF}; unsigned char ledoutput; unsigned char ledoutput1; char numled1; char numled2; char numled11; char numled22; boolean BitState(char val,char pos) {boolean xbit; unsigned char xchar=-1; if(pos>pos; xbit=xchar; return xbit;} boolean BitState1(char val,char pos) {boolean xbit1; unsigned char xchar1=-1; if(pos>pos; xbit1=xchar1; return xbit1;} void changeoutput() {for(int i=0;i=0;i ) {digitalWrite(8,LOW); numled1=i/10; numled2=i%10; if(i>=5){ digitalWrite(13,HIGH); numled11=(i-5)/10; numled22=(i-5)%10;} if(i