Thiết kế và thi công mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng năng lượng mặt trời

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2021-2022 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THƠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Giảng viên hướng dẫn: Lê Phước Đức Nhóm tác giả: Lê Hồng Khang Nguyễn Huỳnh Anh Tú Phan Ánh Ngọc Nguyễn Trung Hiệp TP Hồ Chí Minh, năm 2022 ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2021-2022 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, Ghi rõ họ tên) TÁC GIẢ/ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI (Ký, Ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký, Ghi rõ họ tên) TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 08 năm 2022 Mục Lục Chương 1: Tổng quan 1.1.Tình hình sử dụng lượng 1.2 Ưu nhược điểm nguồn lượng nhân tạo 1.2.1 Ưu điểm nguồn lượng không tái tạo 1.2.2 Nhược điểm nguồn lượng không tái tạo 1.3 Giới thiệu nguồn lượng tự nhiên xu hướng nguồn lượng giới 1.3.1 Giới thiệu nguồn lượng tự nhiên 1.3.2 Xu hướng nguồn lượng giới 12 Chương : Cơ sở lý thuyết 18 2.1 Giới thiệu pin lượng mặt trời 18 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời: 19 2.3 Phân loại pin mặt trời 20 2.4 Phương pháp tính cơng suất hệ thống Pin lượng mặt trời 20 2.5 Thiết kế solar charge controller ( điều khiển sạc pin mặt trời ) 22 2.6 Giới thiệu Vi mạch Arduino 22 2.6.1 Lý thuyết mạch Arduino 22 2.6.2 Cấu tạo arduino 24 2.7 Giới thiệu Module Relay kênh 26 2.8 Module led đoạn 28 2.9 Module led đơn 28 2.10 Module điều khiển sạc 29 2.11 Module bình ac quy 29 Chương 3: Thiết kế thi cơng mơ hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông 30 sử dụng lượng mặt trời 30 3.1 Mơ hình hệ thống đèn tín hiệu giao thơng sử dụng lượng mặt trời 30 3.1.1 Bản vẽ bố trí thiết bị: 30 3.1.2 Mô hệ thống máy tính 33 3.1.3 Mơ hình thực nghiệm 34 3.2 Hướng dẫn sử dụng 35 Chương : Kết luận hướng phát triển 36 4.1 Kết thực đề tài 36 4.2 Những hạn chế đề tài 36 4.3 Hướng phát triển đề tài 36 PHỤ LỤC 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 hiệu ứng nhà kính Hình Lượng khí thải CO2 chia theo khu vực nhiên liệu Hình Pin lượng mặt trời 18 Hình 2 Cấu tạo pin lượng mặt trời 20 Hình Mạch Arduino UN0 R3 23 Hình Sơ đồ chân mạch Arduino UN0 R3 24 Hình Module Relay 27 Hình Module led đoạn 28 Hình Module led đơn 28 Hình Bộ điều khiển sạc 29 Hình Module bình ac quy 29 Hình Lamp Module 30 Hình Relay Module 30 Hình 3 Switch Module 30 Hình Led 74HC595 Module 31 Hình Nguồn cung cấp 31 Hình Arduino board 31 Hình Bản vẽ bố trí thiết bị 32 Hình Mơ máy tính 33 Hình Mơ hình hệ thống đèn tín hiệu giao thơng sử dụng lượng mặt trời 34 Hình 10 đấu dây kết nối Adruino led 35 Chương 1: Tổng quan 1.1.Tình hình sử dụng lượng Nhu cầu lượng Thế giới tiếp tục tăng lên đặn hai thập kỷ qua.Nguồn lượng hóa thạch chiếm 90% tổng nhu cầu lượng năm 2025 Nhu cầu đòi hỏi lượng khu vực Thế giới không giống Tài liệu Cơ quan Thông tin Năng lượng 2004 dự báo nhu cầu tiêu thụ tất nguồn lượng có xu hướng tăng nhanh Giá lượng hóa thạch dùng rẻ so với nguồn lượng hạt nhân, lượng tái tạo hay lượng dạng lượng hoàn nguyên khác Tình trạng cạn kiệt nguồn lượng khơng cịn cảnh báo tương lai xa mà chứng minh số cụ thể kiện diễn nhanh chóng thực tế Theo chuyên gia nước, hậu tất yếu việc khai thác mức nguồn lượng hóa thạch mà quên đầu tư vào nguồn lượng tái tạo Ở Việt Nam, nguồn lượng hóa thạch suy giảm dần trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày lớn, kèm theo việc tiêu thụ nguồn lượng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Trong đó, tiềm để phát triển lượng lượng tái tạo lớn, việc phát triển lượng tái tạo góp phần giảm tiêu hao lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính Do đó, nguồn điện sản xuất từ nguồn lượng tái tạo xem bổ sung lý tưởng cho thiếu hụt điện không giúp đa dạng hóa nguồn lượng mà cịn góp phần phân tán rủi ro, tăng cường, đảm bảo an ninh lượng Quốc gia 1.2 Ưu nhược điểm nguồn lượng nhân tạo 1.2.1 Ưu điểm nguồn lượng không tái tạo Năng lượng không táo tạo chia làm hai loại:  Năng lượng hóa thạch  Năng lượng hạt nhân 1.2.2 Nhược điểm nguồn lượng khơng tái tạo a Lượng khí thải Carbon Dioxide toàn cầu gây trình sử dụng lượng Hình 1 hiệu ứng nhà kính Tổng quan lượng năm 2004 (IEO2004) dự đốn phát sinh khí thải CO2 có liên quan tới lượng mà nêu chủ yếu khí thải carbon dioxide người gây tồn cầu Căn vào kì vọng tăng trưởng kinh tế khu vực lệ thuộc vào nguồn lượng hóa thạch, IEO2004 cho thấy thải khí carbon dioxide tồn cầu tăng nhanh nhiều chu kì so với năm 1990 Sự tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch tăng cao đặc biệt nước phát triển phải có trách nhiệm lớn việc tăng nhanh lượng khí thải cacbon dioxide mức tăng trưởng kinh tế gia tăng dân số cao nhiều lần so với nước cơng nghiệp hóa, mà với việc nâng cao mức sống, nhu cầu lượng sử dụng trình cơng nghiệp hóa Về lượng khí thải CO2 tồn cầu, thấy nước phát triển chiếm đa phần việc sử dụng lượng Thế giới Thải khí nhà kính nhiều số nước Trung Quốc, quốc gia có tốc độ tăng trưởng thu nhập bình quân đầu người sử dụng nhiên liệu hóa thạch cao Năm 2001, lượng khí thải CO2 từ nước cơng nghiệp hóa chiếm tới 49% tồn cầu, sau nước phát triển chiếm 38%, nước Đông Âu Liên Xô cũ chiếm 13% Tới năm 2025, nước công nghiệp hóa dự đốn thải lượng khí CO2 chiếm 42% lượng khí thải tồn cầu, lượng CO2 thải nước phát triển 46%, Đông Âu Liên Xô cũ vào khoảng 12% Trong Thế giới cơng nghiệp hóa, nửa lượng khí thải CO2 năm 2001 sử dụng dầu mỏ, 31% lượng khí thải sử dụng than Theo dự báo qua giai đoạn dầu nguồn nhiên liệu chủ yếu gây khí thải CO2 quốc gia cơng nghiệp hóa phần quan trọng sử dụng ngành vận tải Sử dụng khí tự nhiên lượng khí thải sinh q trình sử dụng dự đốn tăng lên, đặc biệt ngành công nghiệp điện lượng khí thải sinh q trình sử dụng khí tự nhiên lên tới 24% vào năm 2025 Dầu mỏ than coi lượng gây phần lớn lượng khí thải CO2 nước phát triển Trung Quốc Ấn Độ cho hai nước sử dụng nguồn than nội địa để dùng việc phát điện hoạt động công nghiệp Hầu hết khu vực phát triển tiếp tục sử dụng chủ yếu dầu mỏ để đáp ứng nhu cầu lượng đặc biệt lượng sửdụng lĩnh vực vận tải Hình Lượng khí thải CO2 chia theo khu vực nhiên liệu Phần lớn nhà khoa học ủng hộ giả thuyết cho việc tăng nồng độ khí nhà kính lồingười gây ra, hiệu ứng nhà kính nhân loại, làm tăng nhiệt độ tồn cầu (sự nóng lên khí hậu tồn cầu) làm thay đổi khí hậu thập kỷ thập niên 1.3 Giới thiệu nguồn lượng tự nhiên xu hướng nguồn lượng giới 1.3.1 Giới thiệu nguồn lượng tự nhiên Năng lượng tự nhiên nguồn lượng dùng cho tương lai Ưu điểm nguồn lượng sạch, có sẵn thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt giải pháp tốt nhằm tiết kiệm lượng hóa thạch cho tương lai  Khí đốt tự nhiên Khí đốt tự nhiên nhiên liệu hóa thạch phát triển nhanh nhất, chiếm 23% nhu cầu lượng sơ cấp toàn cầu gần 1/4 sản lượng điện Là nhiên liệu hóa thạch đốt nhất, khí tự nhiên mang lại số lợi ích mơi trường so với nhiên liệu hóa thạch khác, đặc biệt chất lượng khơng khí khí thải nhà kính Khả lưu trữ, tính linh hoạt hoạt động nhà máy nhiệt điện khí đốt, cho phép khí tự nhiên đáp ứng với biến động nhu cầu ngắn hạn theo mùa ngắn hạn, tăng cường an ninh cung cấp điện hệ thống điện với tỷ lệ tái tạo ngày tăng Thị trường khí đốt tự nhiên ngày tồn cầu hóa, thúc đẩy sẵn có khí đá phiến nguồn cung cấp khí đốt tự nhiên hóa lỏng linh hoạt Khi thương mại khí đốt tăng lên, kết nối thị trường khí đốt, tạo vấn đề an ninh khí đốt tự nhiên, cú sốc cung, cầu khu vực có tác động trở lại khu vực khác Khí đốt tự nhiên có năm đáng ý năm 2018, với mức tăng tiêu thụ 4,6% chiếm gần nửa mức tăng nhu cầu lượng toàn cầu Kể từ năm 2010, 80% tăng trưởng tập trung ba khu vực chính: - Hoa Kỳ - nơi cách mạng khí đá phiến diễn mạnh mẽ - Trung Quốc - nơi mối quan tâm mở rộng kinh tế chất lượng khơng khí củng cố tăng trưởng nhanh chóng - Trung Đơng - nơi khí đốt cửa ngõ để đa dạng hóa kinh tế từ dầu mỏ Khí tự nhiên tiếp tục vượt trội than, dầu Kịch sách nêu (trong nhu cầu khí tăng 1/3) Kịch phát triển bền vững (khi nhu cầu khí tăng khiêm tốn đến năm 2030 trước trở lại mức vào năm 2040) Tuy nhiên, ngành công nghiệp khí phải đối mặt với số thách thức thương mại môi trường khu vực khác giới  Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời sử dụng rộng rãi nhiều nước Nhật Bản, Mỹ số quốc gia Tây Âu nơi đầu việc sử dụng nguồn lượng mặt trời sớm (từ năm 50 kỷ trước) Tính đến năm 2002, Nhật Bản sản xuất khoảng 520.000 kW điện pin mặt trời, với giá trung bình 800.000 Yên/kW, thấp 10 lần so với cách thập kỷ Nếu gia đình người Nhật người tiêu thụ từ đến kW điện/mỗi giờ, họ cần phải có diện tích từ 30-40 m2 mái nhà để lắp pin Nhật Bản phấn đấu đến năm 2010 sản xuất 8,2 triệu kW điện tử lượng mặt trời  Năng lượng từ đại dương Đây nguồn lượng vơ phong phú, quốc gia có diện tích biển lớn Sóng thủy triều sử dụng để quay turbin phát điện Nguồn điện sản xuất dùng trực tiếp cho thiết bị vận hành biển hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường v.v…  Năng lượng gió Năng lượng gió coi nguồn lượng xanh vô dồi dào, phong phú có nơi Người ta sử dụng sức gió để quay turbin phát điện Ví dụ Hà Lan hay Anh, Mỹ Riêng Nhật người ta cịn sản xuất thành cơng turbin gió siêu nhỏ, sản phẩm hãng North Powen Turbin có tên NP 103, sử dụng bình phát điện dùng cho đèn xe đạp thắp sáng giải trí có chiều dài cánh quạt 20 cm, công suất điện W, đủ để thắp sáng bóng đèn nhỏ  Nguồn lượng địa nhiệt Đây nguồn lượng nằm sâu lòng đảo, núi lửa Nguồn lượng thu cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu lịng đất để chạy turbin điện Tại Nhật Bản có tới 17 nhà máy kiểu này, lớn có nhà máy địa nhiệt Hatchobaru Oita Kyushu, công suất 110.000 kW đủ điện cho 3.700 hộ gia đình  Năng lượng nước Gió đẩy đám mây bay đi, gặp điều kiện thích hợp, mây tích tụ thánh hạt nước lớn dần rơi xuống thành mưa.Nước tập trung sườn núi, sinh dịng suối thành dịng sơng, cuối đổ đại dương Chu kỳ lại bắt đầu, vịng tuần hồn diễn vơ tận Dưới tác dụng trọng lực, nước dịng sơng tập trung lại sinh lượng nước  Năng lượng than Than cung cấp phần ba sản lượng cho sản xuất điện giới đóng vai trị quan trọng cung cấp lượng ngành công nghiệp Bất chấp lo ngại đáng nhiễm khơng khí khí thải nhà kính, việc sử dụng than tiếp tục có ý nghĩa tương lai nên cần có sách phối hợp Chính phủ Để than nguồn lượng thập kỷ tới, Chính phủ ngành cơng nghiệp cần nhiều nỗ lực để triển khai phát triển có hiệu cơng nghệ gây nhiễm Sử dụng than toàn cầu tăng năm thứ hai liên tiếp vào năm 2018, mức cao năm 2014, mức tăng chủ yếu đến từ Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia số quốc gia khác khu vực Đông Nam Á Ở châu Á, nhu cầu điện tiếp tục tăng than nguồn điện tạo lớn 2.8 Module led đoạn -Nguồn cấp: 9V -Dịng tải: 5mA -Dịng kích: 3mA Hình Module led đoạn 2.9 Module led đơn -Nguồn cấp: 12V -Dịng tải: 5mA -Đường kình: 12mm Hình Module led đơn 28 2.10 Module điều khiển sạc Hình Bộ điều khiển sạc 2.11 Module bình ac quy Hình Module bình ac quy 29 Chương 3: Thiết kế thi cơng mơ hình hệ thống đèn tín hiệu giao thơng sử dụng lượng mặt trời 3.1 Mơ hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng lượng mặt trời 3.1.1 Bản vẽ bố trí thiết bị: Mơ hình thiết kế với khối: - Khối Lamp Module (12V): bao gồm 14 đèn tín hiệu dùng để kết nối với ngõ để hiển thị Hình Lamp Module - Khối Relay Module: ngõ dạng tiếp điểm relay, dùng để kết nối với thiết bị bên ngoài: đèn, van điện, Contactor Hình Relay Module - Khối Switch Module: bao gồm công tắc, dùng để kết nối thiết bị bên ngồi: nút nhấn, cơng tắc, cảm biến với Adruino Hình 3 Switch Module 30 - Khối Led 74HC595 Module: bao gồm khối led đoạn dùng để hiển thị thời gian Hình Led 74HC595 Module - Khối nguồn DC Power supply: sử dụng nguồn 12 VAC-10A, có cơng tắc đóng/ngắt cầu chì bảo vệ Hình Nguồn cung cấp - Khối Board Adruino: dùng để xử lý chương trình điều khiển Hình Arduino board 31 Hình Bản vẽ bố trí thiết bị 32 3.1.2 Mơ hệ thống máy tính Hình Mơ máy tính 33 3.1.3 Mơ hình thực nghiệm Hình Mơ hình hệ thống đèn tín hiệu giao thơng sử dụng lượng mặt trời 34 3.2 Hướng dẫn sử dụng Bước 1: Kiểm tra thiết bị mơ hình: board adruino, điều khiển sạc, pin, nguồn điện Bước 2: đấu dây kết nối theo sơ đồ 0V Pb1 X1 Pb2 V1 Mạch Adruino Pb3 Đ1 Pb4 X2 Pb5 Đ2 Pb6 V2 Hình 10 đấu dây kết nối Adruino led Bước 3: Bật CB nguồn (đèn power sáng) Bước 4: vận hành hệ thống đèn tín hiệu giao thơng 35 Chương : Kết luận hướng phát triển 4.1 Kết thực đề tài Kết lý thuyết :  Tìm hiểu nguồn lượng mặt trời ứng dụng nguồn lượng vào mô hình  Xây dựng thiết kế sơ đồ kết nối thiết bị điện mơ hình  Viết chương trình lập trình cho hệ thống đèn tín hiệu giao thơng sử dụng lượng mặt trời Kết thực nghiệm :  Kết nối cho hoạt động mơ hình theo u cầu người thiết kế  Ứng dụng lượng mặt trời vào thực tế đáp ứng nhu cầu xã hội  Hoàn thiện mơ hình hệ thống hoạt động tốt 4.2 Những hạn chế đề tài  Hệ thống mơ hình với điện áp, cơng suất, hiệu suất làm việc thấp  Mơ hình thiết kế chủ yếu sử dụng nghiên cứu, học tập chưa đáp ứng với thực tế 4.3 Hướng phát triển đề tài  Xây dựng nguồn với cơng suất lớn gồm nhiều pin mặt trời có điện áp công suất phù hợp  Sử dụng hai nguồn điện: Nguồn từ Pin lượng mặt trời nguồn lưới điện quốc gia ( hệ thống pin mặt trời không phát huy tác dụng )  Nghiên cứu phát triển mơ hình để phù hợp với ứng dụng thực tế 36 PHỤ LỤC Code chương trình //hướng int clockPin1= 13; //SH_CP(11) int dataPin1= 12; //DS(14) int latchPin1= 8; //ST_CP(12) int xanh1= 7; int vang1=6; int do1 =5; //hướng int clockPin2= 11; //SH_CP(11) int dataPin2= 10; //DS(14) int latchPin2= 9; //ST_CP(12) int xanh2 = 4; int vang2 = 3; int do2 = 2; int sw = 1; int m[10]={0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90}; int a; int b; int c; int b2; int c2; int i; int x=0; int k; int h; void setup() { for(i=2;i=0;a ){ digitalWrite(xanh1,LOW); digitalWrite(vang1,LOW); digitalWrite(do1,HIGH); digitalWrite(xanh2,HIGH); digitalWrite(vang2,LOW); digitalWrite(do2,LOW); b=a/10; c=a%10; b2=(a-5)/10; c2=(a-5)%10; if(c2