Thiết kế bộ nạp acquy từ pin mặt trời và giám sát tải

MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng xi Tóm tắt xii CHƯƠNG DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục đề tài CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin mặt trời 2.1.1 Cấu tạo pin mặt trời 2.1.2 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 2.1.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 10 2.1.3.1 Dòng qua diode 11 2.1.3.2 Dòng ngắn mạch ISC 11 2.1.3.3 Điện áp hở mạch VOC 13 2.1.3.4 Điểm công suất cực đại 14 2.2 Acquy 17 2.2.1 Giới thiệu Acquy 17 2.2.2 Các phương pháp phóng nạp Acquy 18 2.2.2.1 Phóng điện Acquy 18 2.2.2.2 Các phương pháp nạp Acquy 19 2.3 LCD 20 2.4 IC cảm biến dòng ACS712 22 2.5 Board Arduino Mega 2560 23 2.5.1 Giới thiệu chung Arduino 23 2.5.2 Giới thiệu board Arduino Mega 2560 24 2.6 Động bước 25 2.6.1 Đặc điểm chung 25 2.6.2.Phân loại động bước 25 2.6.3 Nguyên lý hoạt động động bước 26 CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ – ĐIỆN TỬ 30 3.1 Yêu cầu điều khiển 30 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 31 3.3 Thiết kế chế tạo kết cấu khí cho hệ thống 31 3.4 Thiết kế mạch điều khiển mạch công suất 35 3.4.1 Mạch đo điện áp 35 3.4.2 Mạch đo dòng điện 36 3.4.3 Mạch hướng ánh sáng 37 3.4.4 Mạch điều khiển hiển thị 38 3.4.5 Mạch driver điều khiển động bước 39 3.4.6 Mạch nạp Cuk converter 40 3.4.7 Mạch nghịch lưu pha 41 CHƯƠNG 4.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 43 4.1 Yêu cầu điều khiển 43 4.2 Lưu đồ điều khiển 44 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 48 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49 vii 6.1 Kết luận 49 6.2 Hướng phát triển 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHU LỤC viii LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Tồn điện trường hai lớp tiếp giáp P-N Hình 2.2: Cấu tạo tổng thể pin mặt trời Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời Hình 2.4: Quá trình tạo Panel pin mặt trời Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Hình 2.6: Hệ thống mức lượng E1 < E2 Hình 2.7 Các vùng lượng Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn đặc tính làm việcA – V pin mặt trời 10 Hình 2.10: Sơ đồ tương đương pin mặt trời 11 Hình 2.11: Sơ đồ tương đương đơn giản pin mặt trời 12 Hình 2.12: Dịng ngắn mạch ISC 12 Hình 2.13: Điện áp hở mạch VOC 13 Hình 2.14: Đồ thị điện áp hở mạch VOC ISC 14 Hình 2.15: Pin mặt trời ngắn mạch, hở mạch gắn với tải 14 Hình 2.16: Đồ thị V – A – P pin mặt trời 15 Hình 2.17: Xác định điểm MPP pin mặt trời 15 Hình 2.18: Ghép pin song song với đặc tuyến U-I 16 Hình 2.19: Ghép pin nối tiếp với đặc tuyến U-I 16 Hình 2.20: Cấu tạo Acquy chì 17 Hình 2.21: Sơ đồ chân LCD 20 Hình 2.22: Sơ đồ chân ACS712 21 Hình 2.23: Sơ đồ kết nối ACS712 23 Hình 2.24: Board Arduino Mega 2560 24 Hình 2.25: Cấu tạo động bước đơn cực 27 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 31 Hình 3.2: Chuyển động quay trục tọa độ 32 Hình 3.3: Mơ hình khí - điên tử sau lắp ráp 34 Hình 3.4: Giới thiệu phần cứng 35 ix Hình 3.5: Sơ đồ mạch đo điện áp 35 Hình 3.6: Sơ đồ mạch đo dòng điện 36 Hình 3.7: Sơ đồ mạch hướng ánh sáng 37 Hình 3.8: Sơ đồ mạch điều khiển hiển thị 38 Hình 3.9: Sơ đồ mạch driver điều khiển động bước 39 Hình 3.10: Sơ đồ mạch Cuk converter 40 Hình 3.11: Sơ đồ mạch nghịch lưu pha 41 Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật 42 ii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Trị số tỷ trọng chất điện phân Acquy 18 Bảng 2.2: Chức chân LCD 21 Bảng 2.3: Cách điều khiển cực động bước chế độ bước đủ (Full-Step) 28 Bảng 2.4: Cách điều khiển cực động bước chế độ nửa bước (Half-Step) 29 Bảng 5.1: Bảng giá trị thực tế đo mơ hình 45 xi TÓM TẮT Ngày nay, người không ngừng khai thác nguồn tài nguyên để phục vụ đời sống sản xuất, làm cho nguồn nhiên liệu than đá, dầu mỏ, khí đốt cạn kiệt dần Việc tìm kiếm nguồn lượng lượng mặt trời, gió, hạt nhân … cần thiết Với đất nước đà phát triển nước ta việc khai thác nguồn lượng để giảm phụ thuộc vào nguồn lượng truyền thống áp dụng Năng lượng mặt trời coi nguồn lượng dồi Tuy nhiên, việc sử dụng triệt để nguồn lượng mặt trời không trọng Đa số pin mặt trời lắp đặt cố định làm giảm hiệu suất pin Vì vậy, nhóm chọn đề tài: “THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI” Đề tài sử dụng board Arduino Mega 2560 để điều khiển, dùng động bước để quay pin vng góc với mặt trời, nạp cho acquy mạch Cuk converter, cấp nguồn cho tải AC với công suất < 40W, hiển thị lượng acquy dòng tải LCD xii THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Chương DẪN NHẬP 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Năng lƣợng tái tạo, có lƣợng mặt trời đƣợc giới quantâm nghiên cứu sử dụng Trên giới, nƣớc phát triển có nhiều ứng dụng trongđời sống công nghiệp để thu đƣợc nguồn lƣợng Với ƣu điểm sẵn có,dồi dào, nguồn lƣợng sạch, thân thiện với môi trƣờng, lƣợng mặt trời giảipháp thay cho nguồn lƣợng khác ngày cạn kiệt Trái Đất Tại nƣớcđang phát triển, có Việt Nam việc sử dụng lƣợng mặt trời đƣợc quan tâm vàkhích lệ, nhiên ứng dụng hạn chế 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhu cầu lƣợng ngƣời thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngàycàng tăng Trong nguồn nhiên liệu dự trữ nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên vàthủy điện có hạn, khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy thiếu hụt lƣợng Con ngƣờicần tìm nguồn lƣợng Cùng với nănglƣợng gió, thủy triều, lƣợng mặttrời hƣớng phát triển lƣợng quan trọng tƣơng lai Hiện hệ thống pin mặt trời thƣờng đƣợc lắp cố định, pin đạt hiệu suất lớnnhất ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng pin Các vùng khác, hiệu suất củatấm pin mặt trời giảm Để nâng cao hiệu suất pin mặt trời, cần hệ thống cảm biếnxác định hƣớng chiếu ánh sáng mặt trời, từ điều khiển cho mặt phẳng pinhƣớng vng góc với ánh sáng mặt trời Với mong muốn đƣa ứng dụng sử dụng lƣợng mặt trời Việt Nam đƣợcphổ biến phát triển nữa, đem kiến thức học đƣợc áp dụng vào thực CHƢƠNG : DẪN NHẬP THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 tế sảnxuất, nhóm sinh viên chúng em thực đề tài:“ THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI” 1.3 NỘ DUNG NGHIÊN CỨU Sản phẩm làm kết hợp nghiên cứu lý thuyết triển khai thực tế sởlàm việc theo nhóm Đề tài kết hợp khí- điện tử, thiết kế kết cấu khí,chọn động thiết kế chế tạo mạch điều khiển Với mục tiêu thiết kế chế tạo hệ thốngnạpacquytừ pin mặt trời vàgiámsáttảinhƣng điều kiện thời gian,kinh phí có hạn đề tài giới hạn phạm vi sau:  Mơ hình hóa hệ thống định hƣớng pin mặt trời dùng cho học tập nghiên cứu  Động dẫn động khí động bƣớc  Mạchnạpnạpchoacquy 4Ah 1.4 GIỚI HẠN  Nângcaohiệusuấtchuyểnđổicủatấm pin thơng qua việcđiềukhiểnvịtrítấm pin  Tảigiámsátlàtải DC  Hiểnthịmứcnănglƣợngcủaacquyvàdòngtảitrên LCD 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI - Chương 1:Dẫnnhập Trìnhbàylý chọnđềtài, ucầucủađềtài,so sánhvớimộtsốđềtàitƣơngtựtrƣớcđây, ngƣờiđọcsẽhiểuthêmvềnhiệmvụcủađềtài, giớihạnmànhómlàmcũngnhƣphƣơngphápthựchiệnvàtiếpcậnvềkiếnthứcvàkỹthuậthiện - Chương2:Cơsởlýthuyết Cấutạo, nguyênlýlàmviệcvàđặctínhcủa pin mặttrời ,Nguyênlýlàmviệccủađộngcơbƣớc , board Arduino Mega 2560 - Chương 3:Thiếtkếchếtạohệthốngcơkhí – điệntử CHƢƠNG : DẪN NHẬP THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI Cấutạo, nguyênlý, cácthànhphầncủahệthốngnạpacquytừ mặttrờicủanhómsẽđƣợcnóirõ.Từ ý 2016 pin tƣởngbắtđầuvềphầncứng, chƣơngtrìnhđiềukhiểntớikhihồnthànhmơhình - Chương 4:Lưuđồgiảithuậtđiềukhiển Trìnhbàylƣuđồgiảithuậtđiềukhiểncủahệthống - Chương 5:Kếtquảnghiêncứu Trìnhbàykếtquảqtrìnhnhómnghiêncứuvàthicơnghệthống, - Chương 6:Kếtluậnvàhướngpháttriển Trìnhbàynhữnggìđãđạtđƣợcvànhữnghạnchếcủađềtàivànêurahƣớngpháttriển CHƢƠNG : DẪN NHẬP TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Nguyễn Hoàng Quân, “Điề u khiể n và giám sát tra ̣m pin mă ̣t trời” , Đa ̣i Ho ̣c Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Tp HCM, 2/2014 [2] Huỳnh Minh Trung, “Điề u khiể n và giám sát nguồ n pin mă ̣t trời na ̣p vào Accquy”, Đa ̣i Ho ̣c Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Tp HCM, 7/2013 [3] Hoàng Dương Hùng, “Nghiên cứu lượng nhiệt mặt trời điều kiện Việt Nam”, Luận văn Thạc Sỹ KHKT Đại Học Bách khoa Đà Nẵng, 1998 [4] Ngô Minh An, “Mô thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC.Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời”, Đại Học Bách Khoa TPHCM,6/2008 PHỤ LỤC /* Code chương trình */ #include #define pls2 #define dir2 #define pls1 #define dir1 10 #define pwm #define up #define down 23 25 #define right 27 #define left 29 #define phim_up digitalRead(up) #define phim_down digitalRead(down) #define phim_right digitalRead(right) #define phim_left digitalRead(left) #define ti_1 analogRead(A15) //đo dòng #define ti_2 analogRead(A14) // đo dòng #define tu_1 analogRead(A13) //đO áp acquy #define tu_2 analogRead(A12) //đO áp pin NLMT #define l_1 analogRead(A1) #define l_2 analogRead(A2) #define l_3 analogRead(A9) #define l_4 analogRead(A10) #define auto #define man #define forw #define rev #define brake #define thuan #define nghich LiquidCrystal lcd(52, 53, 48, 49, 50, 51); char mode = 1, i; float v1 = 0, v1_pt, v2 = 0, i1 = 0, i2 = 0,x = 0; unsigned long _now = 0, _last = 0, now1 = 0, now2 = 0, last1 = 0, last2 = 0, temp = 20000, TG_NHAN = 0; long pos1 = 0, pos2 = 0; boolean stt1 = LOW, stt2 = LOW; boolean _flg1 = false; boolean flg = LOW; //XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX CHUONG XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX //XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX-4 NÚT XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX boolean PHIM_UP(unsigned int DL ) { if (phim_up == 0) { TG_NHAN++; if (TG_NHAN == 1) return (1); else { if (TG_NHAN >= DL) TG_NHAN = 0; } } else return (0); } boolean PHIM_RIGHT(unsigned int DL ) { if (phim_right == 0) { TRINH CON NHẤN TG_NHAN++; if (TG_NHAN == 1) return (1); else { if (TG_NHAN >= DL) TG_NHAN = 0; } } else return (0); } boolean PHIM_DW(unsigned int DL ) { if (phim_down == 0) { TG_NHAN++; if (TG_NHAN == 1) return (1); else { if (TG_NHAN >= DL) TG_NHAN = 0; } } else return (0); } boolean PHIM_LEFT(unsigned int DL ) { if (phim_left == 0) { TG_NHAN++; if (TG_NHAN == 1) return (1); else { if (TG_NHAN >= DL) TG_NHAN = 0; } } else return (0); } //XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX END XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX void do_luong() { i1=0; for (i = 0; i < 100; i++) { i1 += (ti_1 / 1023.0) * 5.0 - 2.5; } NÚT NHẤN i1=i1/100; if (i1 0) && pos1 > 0) { motor_ud(80000, nghich); } else if ((rdud() < 0) && pos1 < 200) { motor_ud(80000, thuan); } else motor_ud(0, thuan); if ((rdlr() > 0) && pos2 < 100) { motor_lr(100000, thuan); } else if ((rdlr() < 0) && pos2 > 0) { motor_lr(100000, nghich); } else motor_lr(0, thuan); } void chuong_trinh_man() { _now = (unsigned long) millis(); if (_now - _last >= 1000) { lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("pulse1="); lcd.print(pos1); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("pulse2="); lcd.print(pos2); _last = _now; } if (PHIM_UP(20) && (pos1 < 200)) motor_ud(100000, thuan); else if (PHIM_DW(20) && (pos1 > 0)) motor_ud(100000, nghich); else if (PHIM_LEFT(20) && (pos2 > 0)) motor_lr(200000, nghich); else if (PHIM_RIGHT(20) && (pos2 < 100) ) motor_lr(200000, thuan); else { motor_ud(0, false); motor_lr(0, true); } } void xung_kich() { x = map(((tu_2/1023*20))/100,10,21,102,153); // D = 40% - 60% (102 - 153) if (((tu_1)/1023)*13.6)/100)>= 13.9) { x = 0; } analogWrite(pwm,x); delay(10); } //XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX KET THUC CHUONG TRINH CON -XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX void setup() { pinMode(5, OUTPUT); pinMode(4, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); pinMode(2, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT); pinMode(7, OUTPUT); pinMode(8, OUTPUT); pinMode(23, INPUT_PULLUP); pinMode(25, INPUT_PULLUP); pinMode(27, INPUT_PULLUP); pinMode(29, INPUT_PULLUP); pinMode(A1, INPUT); pinMode(A3, INPUT); pinMode(A9, INPUT); pinMode(A10, INPUT); pinMode(A15, INPUT); pinMode(A14, INPUT); pinMode(A12, INPUT); pinMode(A13, INPUT); lcd.begin(16, 2); } void loop() { xung_kich(); if (mode == 1) { lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(" CHON CHE DO "); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("AUTO? MANUAL?"); if (PHIM_LEFT(100)) { mode = 0; } else if (PHIM_RIGHT(100)) { mode = 2; delay(300); } } if (mode == 0) } chuong_trinh_auto(); else if (mode == 2) chuong_trinh_man(); else if (mode == 3) do_luong(); ... dụng vào thực CHƢƠNG : DẪN NHẬP THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 tế sảnxuất, nhóm sinh viên chúng em thực đề tài:“ THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI”... thể pin mặt trời Quá trình chế tạo pin lƣợng mặt trời nhƣ hình sau: Hình 2.4 Quá trình tạo Panel pin mặt trời CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016... pin vng góc với mặt trời, nạp cho acquy mạch Cuk converter, cấp nguồn cho tải AC với công suất < 40W, hiển thị lượng acquy dòng tải LCD xii THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI