(Luận văn) chuyên đề ứng dụng solar panels vào hệ thống sạc trên ô tô

1

Tóm tắt

Hiện nay, Giao thông vận tải chiếm khoảng 1/5 lượng khí thải CO2 toàn cầu và là nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất Điều đó chủ yếu đến từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch cho ô tô và xe tải trên đường, chiếm khoảng 75% lượng khí thải đó Vấn đề rất nghiêm trọng, nhưng các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong (ICE) có hiệu suất chỉ dao động trong khoảng từ 20% đến 35% – có phần cao hơn ở động cơ diesel Một phương tiện chở khách thông thường thải ra khoảng 4,6 tấn CO2 mỗi năm. Điện năng lượng mặt trời được thu nhận theo nhiều cách khác nhau, trong đó phổ biến nhất là sử dụng các tấm pin mặt trời quang điện để chuyển đổi tia nắng mặt trời thành điện năng Sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển hóa thành điện vừa hạn chế ô nhiễm môi trường vừa mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho con người. Điện năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống - kinh tế - xã hội như: giao thông, xây dựng, nuôi trồng thủy sản… góp phần tiết kiệm nguồn điện quốc gia và hạn chế khí thải CO2 gây tác động xấu đến môi trường tự nhiên.

Xe ô tô sử dụng nguồn năng lượng sạch đang là xu hướng phát triển của mọi quốc gia, sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống sạc vì nó sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ những tấm pin mặt trời thu nhận và chuyển thành năng lượng điện và năng lượng điện đó được nạp vào accu Đề tài này nghiên cứu và đánh giá khả năng sạc của tấm pin mặt trời cho hệ thống sạc trên xe.

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, một trong những vấn đề kỹ thuật lớn nhất cần giải quyết là nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch cho các ngành kỹ thuật Phần lớn thế giới vẫn phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch để ứng dụng trong lĩnh vực này do đó nó đã gây ra nhiều tác hại lớn đối với môi trường Chính vì thế nguồn năng lượng đang được cho là phương pháp giải quyết và được nghiên cứu ở đây là nguồn năng lượng mặt trời Năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời có thể là một phương pháp giải quyết hiệu quả về tính sẵn có, hiệu quả về chi phi và tính thân thiện với môi trường.

Nắm ngoái, dịch covid làm cho các phượng tiện không được sử dụng trong một thời gian dài kéo theo đó làm cho accu bị hết bình, hư hỏng do hiện tượng sunfat hóa. Qua đó, việc lắp tấm pin năng lượng mặt trời trên xe có thể giúp accu luôn được sạc đầy tránh được hiện tượng sunfat hóa làm hỏng accu. Ở thời điểm này, do nhu cầu gắn thêm nhiều phụ tải ngoài như kèn, đèn, … ngày càng nhiều nên việc hết bình trên xe diễn ra nhanh hơn Do đó việc gắn thêm solar panel hỗ trợ sạc cho accu trên xe làm tăng tuổi thọ của bình.

Việc chạy xe vào ban ngày có thêm solar panel giúp cho máy phát giảm dòng phát giúp tiết kiệm nhiên liệu cho xe.

Ngoài ra, khi đi du lịch ở những nơi vắng vẻ, vùng núi sâu xa thì việc thiếu nguồn

Chính vì các lý do trên nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài: “Chuyên đề ứng dụng solar panel vào hệ thống sạc trên ô tô” làm mục đích nghiên cứu.

Mục tiêu của đề tài

- Thống kê các kết quả nghiên cứu trước đó, nêu lên tính cấp thiết của đề tài.

- Đo đạc dòng và mức điện áp của ắc-quy khi được sạc bằng tấm pin mặt trời.

- Dựa trên số liệu đo được để đánh giá.

- Đưa ra cải tiến phù hợp, hoàn chỉnh nghiên cứu báo cáo.

- Phát triển kỹ năng tìm hiểu và trình bày thông tin.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra khảo sát và thu thập số liệu về nguồn bức xạ năng lượng mặt trời.

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết qua các diễn đàn ô tô, tài liệu sách báo, tài liệu đào tạo về pin solar panel và hệ thống sạc.

- Tiến hành đo kiểm pin solar panel.

- Xem xét các kết quả thu được và đưa ra nhận xét.

Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nắm rõ tổng quan về lịch sử phát triển của pin năng lượng mặt trời.

- Nắm rõ tổng quan về cấu tạo, nguyên lý và chức năng của pin năng lượng mặt trời và hệ thống sạc trên ô tô.

- Nghiên cứu các công nghệ để sạc cho accu.

Giới hạn của đề tài

Chỉ thực hiện đánh giá độ hiệu quả sạc của tấm pin mặt trời nạp cho accu khi xe đang đỗ và khi nổ máy.

2

PIN MẶT TRỜI

Lịch sử phát triển của Solar Panels

Tấm pin năng lượng mặt trời được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1883 bởi Charle Fritts với hiệu suất ban đầu chỉ đạt được 1% Nhưng trước đó người khám phá ra hiệu ứng quang điện là nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel vào năm 1839 Ông nhận ra rằng năng lượng mặt trời có thể tạo ra một hiệu ứng quang điện (ảnh = ánh sáng, voltaic = điện thế) Trong những năm 1880, các tế bào quang điện selen (PV) được phát triển có thể chuyển ánh sáng thành điện năng với hiệu suất 1-2% hiệu suất của pin mặt trời là tỷ lệ ánh sáng mặt trời có sẵn được chuyển đổi bởi tế bào quang điện thành điện, nhưng sự biến đổi xảy ra không chưa chứng minh được Do đó, năng lượng quang điện vẫn là một sự tò mò trong nhiều năm, vì nó không hiệu quả khi biến ánh sáng mặt trời thành điện Tiếp sau đó mãi cho đến khi Albert Einstein đề xuất một lời giải thích cho “hiệu ứng quang điện” vào đầu những năm 1900, sau đó ông đã giành được giải Nobel.

Hình1.1: Charle Fritts và những cell pin mặt trời đầu tiên trên thế giới o Vào cuối những năm 1950 và 1960, chương trình không gian của NASA đã đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của quang điện “Các tế bào là nguồn năng lượng điện hoàn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đáp ứng các yêu cầu công suất thấp đáng tin cậy.” o Năm 1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ. o Năm 1983: sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và doanh số bán vượt mức 250 trieu USD. o Năm 1997: Sanyo bắt đầu sản xuất hàng loạt pin mặt trời hiệu xuất cao HIT c-Si/a-Si: H. o Đến năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới đạt 1GW. o Năm 2002: Hội nghị Solar Silicon đầu tiên đối phó với cuộc khủng hoảng của nguyên tố Si được tổ chức bởi Photon tại Munich, Đức. o Năm 2006: Wacker mở rộng sản xuất pin năng lượng mặt trời poly-Si tại Burghausen, Đức, Công suất lên đến 16.000 tấn / năm để trở thành công ty lớn thứ hai trong lĩnh vực này trên toàn thế giới. o Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới ước tính đạt 37,4GW (trong đó Đức có công suất lớn nhất với 7,6GW).

Khảo sát năng lượng bức xạ trung bình ở việt nam và tổng quan tình hình

1.2.1 Khảo sát năng lượng bức xạ mặt trời trung bình ở Việt Nam.

Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5 kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam và vào khoảng 4 kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1.500 -1.700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000 - 2600 giờ mỗi năm.

Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên - Huế trở ra) bình quân trong năm có khoảng 1.800 - 2.100 giờ nắng Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều. Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2.000 - 2.600 giờ nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc Ở vùng này, mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa Do đó, đối với các địa phương ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng.

Việt Nam có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào, cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong năm ở phía bắc là 3,69 kWh/m2 và phía nam là 5,9 kWh/m2 Lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng địa phương, giữa các địa phương ở nước ta có sự chênh lệch đáng kể về bức xạ mặt trời Cường độ bức xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc Dưới đây là bảng số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta.

Bảng 1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN.

Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ

(kWh/m2, ngày) Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình

Tây Nguyên và 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt

Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt

Qua bảng số liệu trên ta thấy việt nam có lượng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là khu vực phía Nam, ở khu vực phía Bắc thì lượng bức xạ mặt trời nhận được là ít hơn.

1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước.

Hiện nay với tình hình nguồn nhiên liệu xăng, dầu đang ngày càng cạn kiệt thì làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang phổ biến ở mọi quốc gia trên thế giới thì tại Việt Nam vấn đề này vẫn chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách Trong vài năm gần đây mốt số sản phẩm mang tính thử nghiệm đã được nghiên cứu Điển hình là xe chạy bằng năng lượng mặt trời do thầy Đoàn Tất Linh cùng 2 bạn sinh viên thuộc trường đaị học Sư Phạm Kỹ Thuật nghiên cứu và chế tạo Điểm đặc biệt nhất của xe này chính là khả năng lấy năng lượng mặt trời, biến thành điện năng và nạp cho bộ ắc-quy của xe để nó có thể hoạt động Trên mui xe có lắp 4 tấm pin quang điện, mỗi tấm có công suất 110W, và chúng có thể sạc điện đầy cho xe trong vòng 6 tiếng dưới điều kiện trời nắng Với mỗi lần sạc đầy, xe có thể chạy được quãng đường hơn 30km, nhưng nếu chạy dưới trời có nắng thì quãng đường có thể tăng lên vì lúc này hệ thống nạp điện vẫn làm việc liên tục để nạp điện cho ăc-quy Tốc độ trung bình của xe là vào khoảng 20km/h, còn ở điều kiện lý tưởng là đường bằng phẳng và đầy bình điện thì nó có thể đạt tốc độ tối đa là 40km/h Xe có thể chở được tối đa là 8 người.

Hình 1.2: Mô hình xe điện sử dụng năng lượng mặt trời do Thạc sĩ Đoàn TấtLinh và nhóm sinh viên Trường Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM chế tạo.

Sản phẩm từ công trình nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên một số trường đại học Năm 2005, nhóm sinh viên K29 khoa Cơ khí trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo một xe điện chạy bằng ắc quy năng lượng mặt trời Xe có tải trọng 120kg, tốc độ 25km/h, sử dụng 2 động cơ một chiều 250W, nguồn gồm 2 ắc quy nối với tấm ắc quy mặt trời.

Năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - thành phố Hồ Chí Minh đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chứa 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V - 800W, 4 ắc quy khô 12V/50Ah, chạy 40km nạp một lần Ô tô điện góp phần giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông Ùn tắc giao thông tại Việt Nam đang là một vấn nạn, sự bùng nổ về số lượng xe ô tô là một trong những nguyên nhân chính của vấn đề này. Ô tô điện dĩ nhiên không thể giải quyết trọn vẹn bài toán phức tạp này, nhưng có thể góp một phần vào lời giải mà bấy lâu nay chúng ta đang đau đầu tìm kiếm Các công nghệ trợ lái điện, điều khiển độc lập 4 bánh, v.v cho phép người lái điều khiển ô tô điện rất linh hoạt, cơ động, phù hợp với các con đường nhỏ và hẹp (so với nước ngoài) ở Việt Nam. Ô tô điện thân thiện với môi trường Ô nhiễm không khí do khí thải từ các xe ô tô chạy xăng và dầu diezel gây tổn hại cho môi trường và sức khỏe của người dân Trong trường hợp này, ô tô điện với lượng khí thải hoàn toàn bằng không là giải pháp lý tưởng.

Định nghĩa của Pin mặt trời

Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.

Hình 1.3: Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời.

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn: Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron- hole trong chất bán dẫn.

Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.

Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.

Nền tảng của pin mặt trời

Tìm hiểu về pin Mặt trời, thì cần một chút lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn. Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic. Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn Cơ bản có hai loại chất rắn silicon, là đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng Mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon.

Silic là vật liệu bán dẫn Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử. Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng trống) Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể) Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phosphor, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm(negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.

Quy trình tạo ra tế bào quang điện

- Giai đoạn 1: Làm sạch silicon. Điôxít silic được đặt trong lò điện hồ quang Sau đó, một hồ quang carbon được áp dụng để giải phóng oxy Các sản phẩm thu được là cacbon đioxit và silic nóng chảy.

Hình 1.4: Hình ảnh làm sạch silicon. Điều này sẽ tạo ra silicon chỉ với 1% tạp chất, rất hữu ích trong một số ngành công nghiệp Tuy nhiên, nó vẫn chưa đủ tinh khiết để tạo ra tế bào quang điện.

Silicon, hiện là 99% tinh khiết, sẽ được tinh chế thêm bằng cách sử dụng một thứ gọi là kỹ thuật vùng nóng chảy di động một thanh silicon không tinh khiết được đưa qua vùng nóng chảy chuyển động theo cùng một hướng.

Những gì quá trình này làm là kéo các tạp chất về một phía nhất định với mỗi lần đi qua Đến một thời điểm nhất định, silicon được coi là tinh khiết và các tạp chất sẽ được loại bỏ.

- Giai đoạn 2: Chế tạo silicon đơn tinh thể.

Phương pháp thường được sử dụng để tạo ra những thanh silicon này được gọi là Czochralski Trong quá trình này, một tinh thể hạt silicon được nhúng vào silicon đa tinh thể nóng chảy.

Hình 1.5: Hình ảnh làm silicon đơn tinh thể.

Khi tinh thể hạt được rút ra, nó sẽ quay thành một thanh hình trụ, đó là cách một thỏi silicon được hình thành Thỏi này hoàn toàn tinh khiết, vì tất cả các tạp chất đã bị bỏ lại trong quá trình rút hạt.

- Giai đoạn 3: Làm tấm bán dẫn silic

Từ phôi hình trụ, người ta sử dụng cưa tròn có đường kính bên trong, cắt bên trong thỏi hình trụ thành từng tấm bán dẫn silic hay có thể cắt nhiều lát cùng một lúc bằng cưa đa dây (chiếc cưa hình kim cương tạo ra các vết cắt rộng và dày 5 milimet.

Chỉ khoảng một nửa silicon bị mất từ phôi hình trụ đến lát hình tròn đã hoàn thành hay nhiều hơn nếu sau đó tấm bán dẫn silic được cắt thành hình chữ nhật hay hình lục giác.

Hình 1.6: Hình ảnh bán dẫn silic được cắt từ phôi hình trụ.

Các tấm bán dẫn hình chữ nhật hay hình lục giác đôi khi được sử dụng để tạo ra cell quang điện vì chúng có thể được gắn với nhau một cách hoàn hảo, nhờ đó tận dụng tất cả không gian có sẵn trên bề mặt phía trước của pin

Sau đó, các tấm bán dẫn được đánh bóng để loại bỏ các dấu cưa Thời điểm gần đây, người ta nhận ra các tế bào thô ráp hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, do đó có vài nhà sản xuất đã bỏ qua quá trình đánh bóng tấm bán dẫn.

- Giai đoạn 4: Quá trình pha tạp (doping)

Các Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt pho và boron để tạo ra lượng electron dư thừa và sự thiếu hụt electron tương ứng sẽ tạo chất bán dẫn có khả năng dẫn điện.

Sau quá trình Czochralski, các tấm bán dẫn được hàn kín lại và đặt trong lò nung để gia nhiệt nhẹ nhàng dưới điểm nóng chảy của silic (2.570 độ F hay 1.410 độ C) với sự hiện diện của khí photpho.

Hình 1.7: Hình ảnh các Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt-pho và boron.

Các nguyên tử photpho đào bên trong silicon xốp hơn vì nó gần như trở thành chất lỏng Nhiệt độ và thời gian cho quá trình này được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo đường nối đồng nhất và có độ sâu thích hợp.

Thời gian gần đây, người ta pha tạp silicon với photpho bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt nhỏ để bắn các ion phốt pho vào thỏi Bằng việc kiểm soát tốc độ của các ion, có thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập của chúng Tuy nhiên quy trình mới này không được nhà sản xuất thương mại chấp nhận.

- Giai đoạn 5: Đặt các tiếp điểm điện

Các tiếp điểm điện kết nối từng tế bào năng lượng mặt trời với nhau và đến đầu thu của dòng điện hiện tại Các tiếp điểm phải rất mỏng (ít nhất là ở phía trước) để không chặn ánh sáng mặt trời vào tế bào.

Hình 1.8: Hình ảnh đặt các tiếp điểm điện.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

Cấu tạo của tấm pin mặt trời dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện này tạo ra dòng điện bằng cách chuyển đổi giữa bức xạ mặt trời thành một dạng ánh sáng nhìn thấy được Dòng bức xạ ánh sáng này sẽ được pin mặt trời chuyển thành dòng điện trực tiếp.

Các tế bào quang điện (PV) trong tấm pin mặt trời chính là các thiết bị bán dẫn được là từ các tấm silic tinh khiết Chất liệu silic (si) này được pha tạp với các loại tạp chất đặc biệt để cho ra nhiều phần từ electron và các lỗ hỗng trong cấu trúc hoạt động Để tạo ra một tấm pin mặt trời người ta cần tạo chất bán dẫn thành 2 loại dương (P) và âm (N) sau đó ghép chúng với nhau để có được tiếp xúc P/N.

Cấu trúc của nguyên tử silic cũng giống như kim cương bao gồm 4 nguyên tử electron vòng ngoài liên kết với 4 nguyên tử Si gần đó Khi photon (P) tác động vào thì sẽ có 5 nguyên tử vòng ngoài và thừa ra 1 electron tự do chuyển động dễn dàng, đây chính là chất bán dẫn âm (N).

. Hình 1.11: Cấu tạo phần tử pin mặt trời.

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.

Hình 1.12: Hệ hai mức năng lượng

Ta xét một hệ 2 mức năng lượng điện tử (hình ) 1 < 2 , bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng ℎ ( trong đó h là hằng số planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2.

Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 1.12) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị mà mặt trên của nó có mức năng lượng Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới vủa vùng có năng lượng Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có cấp độ rộng với năng lượng là ,, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.

Hình 1.13: Các vùng năng lượng.

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương , ký hiệu là ℎ + Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:

+ℎ -> − + ℎ + Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống là ℎ =ℎ /λ ≥λ ≥ = – Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra các cặp

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích − và ℎ + đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn , còn lỗ trống ℎ + chuyển đến mặt của , quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 −12 ÷ 10 −1 giây và gây ra giao động mạnh

(photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là: ℎ = ℎ −

Hình 1.14: Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời.

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon ℎ và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống − - ℎ + , tức là đã tạo ra 1 điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện trong.

1.7 Đặc tính làm việc của pin mặt trời.

Pin mặt trời là thiết bị có đặc tính I - V phi tuyến Biểu diễn mô hình tương đương của một pin mặt trời và thể hiện mối quan hệ giữa các thông số của pin.

Hình 1.15: Đặc tính I V của pin mặt trời

I sc (short circuit current): Dòng điện ngắn mạch.

V oc (open circuit voltage): Điện áp hở mạch.

I mp (maximum power current): Dòng điện tại công suất cực đại.

V mp (maximum power voltage): Điện áp tại công suất cực đại.

MPP (maximum power point): Điểm làm việc tại công suất cực đại. Điện áp hở mạch V oc là hiệu điện thế cực đại khi được chiếu sang với thông lượng Φ Khi đó R =∝, I = 0 I sc là điện áp ngắn mạch sinh ra khi kết nối đầu âm và dương của tấm pin vào nhau, đây là dòng điện lớn nhất mà tấm pin có thể sản sinh trong điều kiện tiêu chuẩn.

V mp là điện áp mà tại đó công suất đầu ra là tốt nhất, điện áp này thông thường có thể nhìn thấy được khi hệ thống pin được kết nối vào MPPT(như điều khiển sạc MPPT hoặc kích hòa lưới ) trong điều kiện tiêu chuẩn I mp là dòng điện khi công suất đầu ra đạt tốt nhất là cường độ dòng điện thực tế bạn có thể đo khi nó được kết nối vào thiết bị MPPT trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn.

Sau kết nối với bộ điều khiển sạc sử dụng công nghệ MPPT tăng giảm dòng hoặc hiệu điện thế để tìm được ra điểm MPP để giúp tấm pin làm việc với công suất tối ưu nhất.

Hình 1.16: Mô hình tương đương của pin mặt trời.

 I ph là dòng quang điện (tỷ lệ thuận với bức xạ mặt trời).

 I 0 là dòng điện bão hoà ngược.

 A là hệ số diode lý tưởng.

 k = 1,380.10 -23 JK -1 là hệ số Boltzmann.

 T[K] là nhiệt độ lớp tiếp giáp p – n.

 Đèn q = 1,602.10 -19 C là điện tích điện tử

1.8 Các kiểu kết nối trong hệ thống pin mặt trời.

Thực tế việc ghép nối giữa các tấm pin mặt trời với nhau cũng rất đơn giản , miễn là bạn hiểu các nguyên tắc cơ bản về cách kết nối nhiều tấm pin mặt trời cùng nhau tăng công suất và cách thức hoạt động của từng phương thức này , bạn có thể dễ dàng quyết định cách kết nối các tấm pin của mình với nhau

Hiện nay, có 3 cách ghép 2 tấm pin năng lượng mặt trời là ghép nối tiếp, ghép song song và ghép hỗn hợp Mỗi cách ghép này đều có đặc điểm riêng, phù hợp với từng hệ thống.

1.8.1 Ghép tấm pin kiểu nối tiếp.

Hình 1.17: Các tấm pin mặt trời được mắc nối tiếp

Bộ điều khiển pin mặt trời

Bộ điều khiển sạc giữa các tấm pin mặt trời có chức năng ngăn các tấm pin mặt trời không sạc quá mức pin Thuật toán hoặc chiến lược điều khiển của bộ điều khiển sạc xác định hiệu quả của việc sạc pin và sử dụng pin mặt trời, điều này ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu tải và tuổi thọ của pin.

Có 2 loại công nghệ sạc là PWM và MPPT:

 Điều khiển sạc năng lượng mặt trời PWM (Pulse Width Modulation).

Các loại điều khiển sạc truyền thống trước đây điều khiển một cách cơ học dòng điện vào pin bằng rơle điện Nhưng ngày nay, với bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng công nghệ PWM để làm chậm tốc độ truyền năng lượng vào pin cho đến khi nó được sạc đầy Chế độ sạc PWM có thể được hiểu là một công tắc điện tử sê-ri (MOSFET) trong mạch giữa tấm pin PV và pin lưu trữ Dạng sóng PWM được tạo ra bởi bộ vi xử lý để điều khiển bật/tắt công tắc điện tử, để điều khiển dòng sạc trung bình từ bảng pin PV đến pin và đạt được điện áp sạc trung bình của pin đó.

Năng lượng mặt trời đầu vào phải đi qua một mạch chuyển đổi để lưu trữ trong pin dự phòng Mạch chuyển đổi này được điều khiển bởi một bộ tạo dao động có độ rộng

Hình 1.25: Mô hình của bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời PWM

Nếu năng lượng trong pin dự phòng ít hơn thì độ rộng xung ở trạng thái cao sẽ đủ lớn và độ rộng xung ở trạng thái thấp sẽ tăng đột biến Bản chất của các xung trong chế độ sạc nặng được thể hiện trong hình 1.26.

Hình 1.26: Đầu ra của bộ tạo dao động PWM trong thời gian lưu trữ pin yếu Đầu ra của bộ tạo dao động PWM sau đó được kết nối với mạch chuyển mạch để điều khiển quá trình sạc pin Ở đây hầu hết thời gian của toàn bộ chu kỳ xung, công tắc vẫn bật và năng lượng mặt trời sẽ được lưu trữ trong pin dự phòng Khi pin dự phòng được lấp đầy, giai đoạn bật của độ rộng xung sẽ giảm và giai đoạn tắt của độ rộng xung sẽ tăng lên Bản chất của xung trong giai đoạn pin được sạc 50 % như thể hiện trong hình 1.27.

Hình 1.27: Đầu ra của bộ tạo dao động PWM trong thời gian lưu trữ 50% pin Tương tự, độ rộng xung của bộ tạo dao động PWM thay đổi theo cách mà hầu hết thời gian xung sẽ chỉ ở trạng thái thấp và sẽ tăng đột biến ở trạng thái cao trong khi bộ lưu trữ pin dự phòng đầy Trạng thái này chỉ để cảm nhận mức độ dự phòng của pin Độ rộng xung của bộ tạo dao động PWM trong trạng thái pin được sạc như trong hình 1.28.

Hình 1.28: Đầu ra của bộ tạo dao động PWM khi pin được sạc đầy. Trong khi sạc bằng bộ điều khiển sạc PWM, điện áp bảng mặt trời sẽ hạ xuống mức điện áp pin (cao hơn một chút) Bằng cách BẬT và TẮT MOSFET, bộ điều khiển sạc PWM kết nối và ngắt kết nối các tấm pin mặt trời với pin lưu trữ Trong hầu hết các trường hợp, tần số sạc của bộ điều khiển PWM sẽ nằm trong khoảng từ 25Hz đến 100Hz, chủ yếu là 50Hz.

Vì vậy, đối với bộ điều khiển PWM, dòng sạc thấp hơn một chút so với Isc (chúng ta có thể thấy nó từ đường cong V-I của tấm pin năng lượng mặt trời), đồng thời, điện áp làm việc của tấm pin PV bằng với điện áp pin lưu trữ Vì vậy, năng lượng sạc của nó thấp hơn một chút so với Isc*Vbat Vì vậy, nếu chúng ta không biết bộ điều khiển PWM có kích thước phù hợp với bảng điều khiển PV, chúng ta chỉ cần đảm bảo rằng Isc của mảng

PV không cao hơn dòng sạc định mức của bộ điều khiển Tất nhiên, chúng ta nên đảm bảo Voc của bảng điều khiển không được cao hơn điện áp tối đa của bộ điều khiển.

 Điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT (Maximum Power Point Tracker)

MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống điện mặt trời thông qua việc đóng mở khóa điện tử của bộ biến đổi DC/DC Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống PV làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện sử dụng dạng lưới. Đầu ra của tấm pin mặt trời được lấy ở công suất tối đa bằng cách tăng điện áp và giảm dòng điện hoặc bằng cách tăng dòng điện bằng cách giảm điện áp Thông thường điện áp đầu ra của tấm pin năng lượng mặt trời thay đổi từ 0 đến 18V (thường là Tấm pin mặt trời 12V) Điện áp cần thiết cho pin dự phòng (thường là 12V) là 12V-14V Bất kỳ điện áp đầu ra năng lượng mặt trời nào nằm ngoài phạm vi này sẽ bị lãng phí Công nghệ MPPT sẽ chuyển đổi điện áp đầu ra của năng lượng mặt trời thành dải điện áp cần thiết để sạc pin dự phòng Do đó, bất kỳ điện áp nào từ 0V đến 18V sẽ được chuyển đổi thành 14V bằng cách điều chỉnh dòng điện để pin dự phòng có thể được sạc trong mọi điều kiện trong đó điện áp mặt trời thay đổi tùy thuộc vào ánh sáng mặt trời Mô hình khái niệm của bộ sạc MPPT như trong hình 1.29.

Trong mô hình này, năng lượng mặt trời được tăng lên 14V với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi tăng áp cho đến khi điện áp mặt trời đạt 14V Trong thời gian này, dòng điện đầu vào giảm đáng kể Khi năng lượng mặt trời đạt hơn 14 V, bộ chuyển đổi buck sẽ giảm điện áp xuống 14V bằng cách tăng dòng điện Như vậy, năng lượng từ tấm pin năng lượng mặt trời được tận dụng cả ngày để sạc cho ắc quy dự phòng thay cho điện áp mặt trời từ

 Phân tích hiệu suất của 2 công nghệ trên stt Tham số Bộ điều Bộ điều khiển khiển sạc sạc MPPT

1 Sạc được kiểm soát bởi độ rộng có không của xung

2 Năng lượng mặt trời được sử dụng Không có từ 0V đến 18V

3 Chuyển đổi Buck và Boost Không Có

4 Sử dụng chuyển đổi DC-AC-DC Không Không

5 Cung cấp năng lượng đồng thời Không không cho cả Ắc quy dự phòng và Tải

6 Tuổi thọ pin dài dài

7 Sạc nhỏ giọt có không

Bảng 2: Hiệu suất khi sử dụng 2 công nghệ PWM và MPPT

+ Bộ điều khiển sử dụng các xung PWM để sạc pin, điều này sẽ làm tăng tuổi thọ của pin khi quá trình sạc pin trở nên trơn tru và ổn định

+ Bộ điều khiển sạc sử dụng Điểm công suất tối đa (MPPT) giúp sử dụng năng lượng mặt trời để sạc từ sáng đến tối, tối ưu được tối đa công suất của tấm pin.

+ Sẽ có khả năng dòng điện ngược lại với pin hoặc hệ thống điều khiển.

+ Khi sử dụng công nghệ điều khiển xung PWM sẽ làm hao hụt đi công suất của tấm pin.

+ Do công nghệ MPPT có cấu trúc phức tạp nên giá thành sẽ cao hơn so với PWM.

HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

Nhiệm vụ và yêu cầu

Để cung cấp năng lượng cho các phụ tải trên ô tô, cần phải có các bộ phận tạo ra nguồn năng lượng có ích Nguồn năng lượng này được tạo ra từ máy phát điện trên ô tô. Khi động cơ khởi động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho accu Có

2 loại máy phát: máy phát 1 chiều (generator) và máy phát xoay chiều (alternator) Trong chương này chỉ đề cấp đến máy phát xoay chiều.

Máy phát điện xoay chiều có nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện accu trên ô tô Nguồn điện phải bảo đảm một hiệu điện thế ổn định ở mọi chế độ phụ tải và thích ứng với mọi điều kiện môi trường làm việc.

Máy phát phải tạo ra một hiệu điện thế ổn định (13,8 V – 14,2 V đối với hệ thống điện 14V) trong mọi chế độ làm việc của phụ tải Máy phải nhỏ gọn, giá thành thấp, tuổi thọ cao, có độ bền cao trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm lớn Ít phải bảo dưỡng tu sửa.

2.1.3 Thông số cơ bản trong hệ thống cung cấp điện

Hiệu điện thế định mức: Phải đảm bảo U đm = 14V với xe sử dụng hệ thống điện 12V, U đm = 28V với xe sử dụng hệ thống điện 24V.

Công suất máy phát: Phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả tải điện trên xe hoạt động. Thông thường công suất máy phát trên ô tô rơi vào khoảng P mf = 700 – 1500 W.

Dòng điện cực đại: Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp I max = 70 – 140A.

Nhiệt độ cực đại của máy phát t o max : Là nhiệt độ tối đa mà máy phát có thể hoạt động Hiệu điện thế hiệu chỉnh: Là hiệu điện thế làm việc của bộ tiết chế U hc 13,8V - 14,2V

Sơ đồ tổng quát và sơ đồ cung cấp điện

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát

2.2.2 Sơ đồ các tải công suất điện trên ô tô

Hình 2.2: Sơ đồ phụ tải điện trên ô tô

Chế độ làm việc giữa accu – máy phát điện và sự phân bố tải

Hình 2.3: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp điện Theo định luật Kirchhoff ta có:

 RL (Umf  Ea )  ra Umf

Trong đó: I mf : Dòng điện máy phát

E a , r a : Sức điện động và điện trở trong accu

R L : Điện trở tương đương phụ tải điện

I L : Dòng điện qua các phụ tải

I a : Dòng điện nạp vào accu r 1 : Điện trở các cuộn dây máy phát và dây dẫn

(2.3) phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa hiệu điện thế hiệu chỉnh của máy phát và sức điện động của accu.

 Chế độ thứ hai: Là chế độ tải trung bình Khi các phụ tải điện hoạt động có điện trở tương đương R L < , sao cho I L < I mf , máy phát sẽ đảm nhận nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải này và dòng nạp sẽ giảm Ở chế độ này, máy phát cung cấp điện 2 nơi: một phần cho accu và một phần cho phụ tải.

Khi điện trở tương đương của phụ tải đạt giá trị R 

(2.6) thì dòng nạp bằng không

 Chế độ thứ ba: Là chế độ quá tải xảy ra trong trường hợp mở quá nhiều phụ tải Khi đó R L  0 Nếu điện trở tương đương của các phụ tải điện đang làm việc

R L < (E a r 1 )/(U mf - E a ) , accu bắt đầu phóng điện, hỗ trợ một phần điện năng cho máy phát.

Accu trong ô tô thường được gọi là accu khởi động, là một thành phần thiết yếu khác của hệ thống sạc ô tô, vì nó đóng vai trò là nguồn dự trữ năng lượng điện Nó thực hiện chức năng của một thiết bị chuyển đổi hoá năng thành điện năng và ngược lại Đa số accu khởi động là loại accu chì – axit Đó là loại accu có thể tạo ra dòng lớn trong khoảng thời gian ngắn (5 – 10s), có khả năng cung cấp dòng điện lớn (200 – 800A) mà độ sụt thế bên trong nhỏ, thích hợp để cung cấp điện cho máy khởi động.

Accu còn cung cấp điện cho các tải điện quan trọng khác trong hệ thống điện. Cung cấp từng phần hoặc toàn bộ trong trường hợp động cơ chưa làm việc hoặc đã làm việc mà máy phát chưa đủ công suất Ngoài ra, nó còn đóng vai trò bộ lọc và ổn định điện thế khi điện áp máy phát dao động.

 Accu cung cấp điện khi:

+ Động cơ ngừng hoạt động: Điện được accu cung cấp để chiếu sáng, dùng cho các thiết bị điện phụ, hoặc thiết bị điện khác.

+ Động cơ khởi động: Điện từ bình accu dùng cho máy khởi động và cung cấp dòng điện cho hệ thống đánh lửa trong suốt thời gian động cơ đang khởi động.

+ Động cơ đang hoạt động: Điện từ bình accu có thể cần thiết để hỗ trợ cho hệ thống nạp khi nhu cầu về tải điện trên xe vượt quá khả năng của hệ thống nạp Cả accu và máy phát đều cấp điện khi nhu cầu đòi hỏi cao.

Hình 2.4: Cấu tạo của accu axit – chì

2.5 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện

Gồm 3 thành phần chính là stator, rotor và bộ chỉnh lưu

Hình 2.5: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

1,2 Quạt làm mát; 3 Bộ chỉnh lưu; 4 Vỏ; 5 Stator; 6.

Rotor; 7 Bộ tiết chế và chổi than; 8 Vòng tiếp điện.

Gồm khối thép từ được lắp ghép bằng các lá thép ghép lại với nhau, phía trong có xẻ rãnh đều để xếp các cuộn dây phần ứng Cuộn dây stator có 3 pha mắc kiểu hình sao hoặc kiểu tam giác.

Hình 2.6: Các kiểu đấu dây

Hình 2.7: Stator của máy phát điện a Bố trí chung: 1 Khối thép từ stator; 2 Cuộn dây 3 pha stator b Sơ đồ cuộn dây ba pha mắc theo hình sao

Là phần đứng yên, giữ vai trò là tạo ra từ trường từ trường và hỗ trợ động cơ Các cuộn dây stato được nhúng trong lõi thép stato Khi dòng điện chạy qua lõi stato, nó sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng để chuyển đổi năng lượng điện Khi động cơ hoạt động, nhiệt sinh ra do tổn thất bên trong được truyền qua lõi sắt và tỏa từ bề mặt đế ra không khí xung quanh Vì vậy, người ta thường thiết kế dạng tản nhiệt ở bề mặt ngoài

Hình 2.8: Rotor máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điểm

1 Chùm cực từ tính S; 2 Chùm cực từ tính N; 3 Cuộn dây kích thích; 4 Các vòng tiếp điện; 5 Trục rotor; 6 ống thép từ.

Bao gồm trục 5 và ở phía cuối trục có lắp các vòng tiếp điện 4, còn ở giữa có lắp hai chùm cực hình móng 1 và Giữa hai chùm cực là cuộn dây kích thích được quấn trên ống thép dẫn từ 6 Các đầu dây kích thích được hàn vào các vòng tiếp diện.

Khi có dòng điện một chiều đi qua cuộn dây kích thích W kt thì cuộn dây và ống thép dẫn từ trở thành một nam châm điện mà hai đầu ống thép là hai từ cực khác dấu. Dưới ảnh hưởng của các từ cực, các móng trở thành các cực của rotor, giống như cách tạo cực của loại rotor hình móng với nam châm vĩnh cửu.

Hình 2.9: Bộ chỉnh lưu 6 diode Để biến đổi dòng điện xoay chiều của máy phát sang dòng điện một chiều, ta dùng bộ chỉnh lưu 6 diode, 8 diode, 14 diode Đối với máy phát có công suất lớn (P>1000W), sự xuất hiện sóng đa hài bậc 3 trong thành phần của hiệu điện thế pha do ảnh hưởng của từ trường các cuộn kích làm giảm công suất máy phát.

Hình 2.10: Bộ chỉnh lưu 8 diode

Vì vậy người ta sử dụng cặp diode mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa hài bậc 3 làm tăng công suất khoảng 10% - 15%.

Hình 2.11: Bộ chỉnh lưu 14 diode Người ta mắc thêm 3 diode nhỏ từ các pha để cung cấp cho cuộn kích đồng thời đóng ngắt đèn báo nạp.

1 Accu; 2 Cuộn kích; 3 Cuộn dây stator; 4 Diode chỉnh lưu (+);

 Hoạt động của bộ chỉnh lưu:

Hình 2.11 là sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha có bộ nắn dòng mắc theo sơ đồ nắn dòng 2 nửa chu kỳ, 3 pha Các cuộn dây stator được đấu dạng sao Với kiểu mắc này thì quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây và trên pha là:

Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần. Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:

Trong đó : U m : Điện áp cực đại của pha.

Hình 2.12: Bộ chỉnh lưu sử dụng 6 diode

Hình 2.13: Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu

Ta cũng giả thiết là các diode mắc ở hướng thuận có điện trở R t vô cùng bé (R t 0) còn ở hướng ngược thì rất lớn (R n = ).

Trên sơ đồ chỉnh lưu 3 pha này có 6 diode; 3 diode ở nhóm trên hay còn gọi là các diode dương (VD1, VD3, VD5), có catod được nối với nhau; Nhóm dưới còn gọi à các diode âm (VD2, VD4, VD6) có các anode được nối với nhau Ở hướng dẫn điện, một diode nhóm trên dẫn điện khi anode của nó có điện thế cao hơn, còn ở nhóm dưới diode dẫn có điện thế thấp hơn Vì vậy, ở một thời điểm bất kỳ đều có 2 diode hoạt động, một diode cực tính dương (phía trên) và một diode cực tính âm (phía dưới) Mỗi diode sẽ dòng điện qua trong 1/3 chu kỳ (T/3). Điện thế dây của máy phát được đưa lên bộ chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu được xác định bởi các tung độ nằm giữa các đường cong trên và dưới của điện áp pha U A , U B , U C

Vì vậy, điện áp chỉnh lưu tức thời U mf sẽ thay đổi và tần số xung động của điện áp chỉnh lưu lớn hơn tần số của điện áp pha 6 lần.

2.5.4 Bộ điều chỉnh điện (Bộ tiết chế)

2.5.4.1 Cơ sở lý thuyết và phương pháp điều chỉnh

Khi điều chỉnh điện áp và cường độ dòng điện của máy phát trong hệ thống cung cấp điện thì đối tượng điều chỉnh là máy phát và accu Hoạt động đồng thời của máy phát cùng accu xảy ra khi có sự thay đổi vận tốc quay của phần ứng (rotor) của máy phát, của tải và của nhiệt độ trong phạm vi rộng Để các bộ phận tiếp nhận điện năng làm việc bình

Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện

Gồm 3 thành phần chính là stator, rotor và bộ chỉnh lưu

Hình 2.5: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

1,2 Quạt làm mát; 3 Bộ chỉnh lưu; 4 Vỏ; 5 Stator; 6.

Rotor; 7 Bộ tiết chế và chổi than; 8 Vòng tiếp điện.

Gồm khối thép từ được lắp ghép bằng các lá thép ghép lại với nhau, phía trong có xẻ rãnh đều để xếp các cuộn dây phần ứng Cuộn dây stator có 3 pha mắc kiểu hình sao hoặc kiểu tam giác.

Hình 2.6: Các kiểu đấu dây

Hình 2.7: Stator của máy phát điện a Bố trí chung: 1 Khối thép từ stator; 2 Cuộn dây 3 pha stator b Sơ đồ cuộn dây ba pha mắc theo hình sao

Là phần đứng yên, giữ vai trò là tạo ra từ trường từ trường và hỗ trợ động cơ Các cuộn dây stato được nhúng trong lõi thép stato Khi dòng điện chạy qua lõi stato, nó sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng để chuyển đổi năng lượng điện Khi động cơ hoạt động, nhiệt sinh ra do tổn thất bên trong được truyền qua lõi sắt và tỏa từ bề mặt đế ra không khí xung quanh Vì vậy, người ta thường thiết kế dạng tản nhiệt ở bề mặt ngoài

Hình 2.8: Rotor máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điểm

1 Chùm cực từ tính S; 2 Chùm cực từ tính N; 3 Cuộn dây kích thích; 4 Các vòng tiếp điện; 5 Trục rotor; 6 ống thép từ.

Bao gồm trục 5 và ở phía cuối trục có lắp các vòng tiếp điện 4, còn ở giữa có lắp hai chùm cực hình móng 1 và Giữa hai chùm cực là cuộn dây kích thích được quấn trên ống thép dẫn từ 6 Các đầu dây kích thích được hàn vào các vòng tiếp diện.

Khi có dòng điện một chiều đi qua cuộn dây kích thích W kt thì cuộn dây và ống thép dẫn từ trở thành một nam châm điện mà hai đầu ống thép là hai từ cực khác dấu. Dưới ảnh hưởng của các từ cực, các móng trở thành các cực của rotor, giống như cách tạo cực của loại rotor hình móng với nam châm vĩnh cửu.

Hình 2.9: Bộ chỉnh lưu 6 diode Để biến đổi dòng điện xoay chiều của máy phát sang dòng điện một chiều, ta dùng bộ chỉnh lưu 6 diode, 8 diode, 14 diode Đối với máy phát có công suất lớn (P>1000W), sự xuất hiện sóng đa hài bậc 3 trong thành phần của hiệu điện thế pha do ảnh hưởng của từ trường các cuộn kích làm giảm công suất máy phát.

Hình 2.10: Bộ chỉnh lưu 8 diode

Vì vậy người ta sử dụng cặp diode mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa hài bậc 3 làm tăng công suất khoảng 10% - 15%.

Hình 2.11: Bộ chỉnh lưu 14 diode Người ta mắc thêm 3 diode nhỏ từ các pha để cung cấp cho cuộn kích đồng thời đóng ngắt đèn báo nạp.

1 Accu; 2 Cuộn kích; 3 Cuộn dây stator; 4 Diode chỉnh lưu (+);

 Hoạt động của bộ chỉnh lưu:

Hình 2.11 là sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha có bộ nắn dòng mắc theo sơ đồ nắn dòng 2 nửa chu kỳ, 3 pha Các cuộn dây stator được đấu dạng sao Với kiểu mắc này thì quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây và trên pha là:

Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần. Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:

Trong đó : U m : Điện áp cực đại của pha.

Hình 2.12: Bộ chỉnh lưu sử dụng 6 diode

Hình 2.13: Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu

Ta cũng giả thiết là các diode mắc ở hướng thuận có điện trở R t vô cùng bé (R t 0) còn ở hướng ngược thì rất lớn (R n = ).

Trên sơ đồ chỉnh lưu 3 pha này có 6 diode; 3 diode ở nhóm trên hay còn gọi là các diode dương (VD1, VD3, VD5), có catod được nối với nhau; Nhóm dưới còn gọi à các diode âm (VD2, VD4, VD6) có các anode được nối với nhau Ở hướng dẫn điện, một diode nhóm trên dẫn điện khi anode của nó có điện thế cao hơn, còn ở nhóm dưới diode dẫn có điện thế thấp hơn Vì vậy, ở một thời điểm bất kỳ đều có 2 diode hoạt động, một diode cực tính dương (phía trên) và một diode cực tính âm (phía dưới) Mỗi diode sẽ dòng điện qua trong 1/3 chu kỳ (T/3). Điện thế dây của máy phát được đưa lên bộ chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu được xác định bởi các tung độ nằm giữa các đường cong trên và dưới của điện áp pha U A , U B , U C

Vì vậy, điện áp chỉnh lưu tức thời U mf sẽ thay đổi và tần số xung động của điện áp chỉnh lưu lớn hơn tần số của điện áp pha 6 lần.

2.5.4 Bộ điều chỉnh điện (Bộ tiết chế)

2.5.4.1 Cơ sở lý thuyết và phương pháp điều chỉnh

Khi điều chỉnh điện áp và cường độ dòng điện của máy phát trong hệ thống cung cấp điện thì đối tượng điều chỉnh là máy phát và accu Hoạt động đồng thời của máy phát cùng accu xảy ra khi có sự thay đổi vận tốc quay của phần ứng (rotor) của máy phát, của tải và của nhiệt độ trong phạm vi rộng Để các bộ phận tiếp nhận điện năng làm việc bình

Trong quá trình vận hành, máy phát có thể xảy ra những trường hợp khi tải vượt quá trị số định mức Dẫn đến hiện tượng bị cháy, làm giảm khả năng chuyển đổi mạch hoặc bị quá nhiệt, làm tăng tải trên các chi tiết cơ khí của hệ thống dẫn động máy phát Vì vậy, cần có thiết bị đảm bảo sự hạn chế dòng điện của máy phát Để thực hiện các chức năng trên máy kéo được thực hiện tự động nhờ bộ điều chỉnh điện thế. Điện thế của máy phát được biểu diễn qua công thức:

C e : Hằng số kết cấu của máy phát

C e = 4.k p k.k o p.w/60 ( đối với máy phát xoay chiều) k p : Hệ số chỉnh lưu, xác định qua tỉ số điện áp chỉnh lưu trung bình và điện áp pha n: vận tốc quay của rotor máy phát

2U o : Độ sụt áp trên bộ chỉnh lưu của máy phát (với máy phát 1 chiều 2U o là độ sụt áp trên chổi than)

R td : Điện trở tương đương của máy phát

R td : Là một biến số phụ thuộc vào vận tốc quay của rotor

I mf : Dòng điện của máy phát

K: Hệ số dạng từ trường

Hình 2.14: Đặc tuyến từ và hiệu điện thế máy phát phụ thuộc vào dòng kích

Từ thông của máy phát được kích thích bằng điện từ có thể biểu diễn qua dòng kích thích.

 o : Từ dư a,b: Các hệ số của đường cong từ hoá

 Phương pháp điều chỉnh điện thế a) Bộ điều chỉnh điện hoạt động liên tục

Bảng điều khiển chạy liên tục với các tín hiệu đầu vào và đầu ra của tất cả các pha theo chu kỳ dựa trên thời gian Với những điều chỉnh này, dòng điện kích thích và dòng điện thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào vận tốc của phần ứng và tải của máy phát.

R bs : Điện trở bổ sung của biến trở trong mạch kích thích

Vì vậy để đảm bảo điện thế không đổi thì điện trở phụ R bs cần tăng vận tốc phần ứng và giảm khi tăng tải trên máy phát. b) Bộ điều chỉnh hoạt động gián đoạn

Bộ điều chỉnh hoạt động gián đoạn thực hiện việc thay đổi tín hiệu theo mức độ hoặc thực hiện điều biến bề dài xung Các phần tử chủ yếu của bộ điều chỉnh loại này là các relay khác nhau Quá trình xảy ra như sau:

Khi điện áp máy phát U mf < U n thì sẽ xuất hiện quá trình tự kích thích thông số và cấu trúc điều chỉnh sẽ thay đổi dạng bước nhảy Do vậy, dòng điện kích thích giảm xuống và tại mạch kích thích các thông số và cấu trúc điều chỉnh sẽ trở lại giá trị cũ Quá trình lặp lại có tính tuần hoàn Lúc này, điện thế trung bình U mf và dòng kích thích I k sẽ không thay đổi ở vận tốc phần ứng và tải của máy phát đã cho Sự thay đổi vận tốc quay của phần ứng hoặc của tải sẽ ảnh hưởng lên đòng điện kích thích trung bình và điện thế trung bình sẽ không đổi.

2.5.4.2 Các bộ tiết chế tiêu biểu

Người ta chia làm 2 loại: Tiết chế loại rung và tiết chế loại bán dẫn a Tiết chế loại rung

Đặc tính của máy phát điện

 Đặc tính của máy phát xoay chiều kích thích bằng điện từ Đặc tính của máy phát xoay chiều được xác định bằng các mối quan hệ giữa các đại lượng cơ bản sau:

 Dòng điện tải máy phát

 Số vòng quay của máy phát n

Là những đường cong đặc trưng cho các mối quan hệ điện thế của máy phát và dòng điện kích thích: U mf = f(I k ) khi số vòng quay không đổi n mf = const và dòng điện tải I mf 0 Đường đặc tuyến được xác định từ phương trình phụ thuộc của sức điện động máy phát vào số vòng quay Vì dòng điện kích và từ thông tương ứng (ở khe hở không khí) phụ thuộc vào số vòng quay của máy phát điện, nên sức điện động không tỉ lệ thuận với số vòng quay của máy phát Do vậy, đường đặc tính không tải của máy phát gồm những đường cong tương ứng với số vòng quay.

Hình 2.18: a Đặc tuyến không tải ứng với số vòng quay khác nhau b Đặc tuyến ngoài ứng với số vòng quay khác nhau.

Là những đường cong đặc trưng cho mối quan hệ giữa điện thế máy phát sau chỉnh lưu và dòng tải điện (hình xxxb)

U k = U đm = const, và điện trở kích thích R k = const

Khi tải máy phát tăng, điện thế U mf giảm nhanh Nguyên nhân là do độ sụt áp tăng ( độ sụt áp trong diode, trên điện trở thuần và cảm kháng của cuộn dây), do ảnh hưởng của phần ứng làm từ thông qua stator giảm, do hiện tượng cảm ứng từ.

 Đặc tuyến tải theo số vòng quay

Là những đường cong đặc trưng cho quan hệ giữa dòng tải điện và số vòng quay (Hình 2.5.4a)

I f = f(n); U f = U đm ; I k = const. Ở độ cao, dòng điện phát ra tăng chậm và giá trị cực đại của nó không vượt qua giá trị cực đại đã định, tức là máy phát có tính chất tự hạn chế dòng (Hình 2.5.4)

Hình 2.19: Đặc tuyến tải theo số vòng quay

THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM

Chọn tấm pin

Thông số: Công suất cực đại: 290W. Điện áp hở mạch ( ): 39.1V.

Máy hiện sóng cầm tay.

Hình 3.2: MÁY HIỆN SÓNG CẦM TAY KEYSIGHT U1604B.

 Đồng hồ vạn năng DMM:

 Dât logging: 250 điểm (cho đồng hồ vặn năng)

 Pin: pin sạc Ni-MH /4h

 Máy đô điện áp tấm pin theo thời gian (s)

3.3 Vị trí để thực nghiệm.

Nơi tiến hành đo kiểm: Khu vực thành phố Hồ Chí Minh quận thủ đức phường Linh Chiểu, Đường số 20 công ty TNHH giải pháp kỹ thuật Indruino.

Vị trí đặt tấm pin: Ở thùng sau xe bán tải ford ranger.

3.4.1 THỰC NGHIỆM 1 Đo kiểm điện áp tấm pin mặt trời qua từng giờ.

Bảng 3: Kết quả đo kiểm tấm pin mặt trời VBMS290AJ07

(V) BIỂU ĐỒ ĐIỆN ÁP CỦA SOLAR PANELS THEO THỜI GIAN

Nhận xét: Qua biểu đồ ta thấy từ lúc 9h đến khoảng 5h chiều lúc này xuất hiện bức xạ mặt trời thì điện áp tấm pin đạt từ 34V – 35 V Tuy nhiên, vào những khoảng thời gian 11h hoặc 2h chiều thì mức điện áp đạt gần như đỉnh điểm là 36V Từ 5h chiều trở đi bức xạ mặt trời hầu như không còn nên mức điện áp bắt đầu giảm nhanh từ 33V xuống còn 9,6 V Từ đó ta thấy được tuỳ thuộc vào điều kiện ánh nắng (bức xạ mặt trời), góc đặt tấm pin, thời gian sử dụng mà tấm pin sẽ cho mức điện áp khác nhau.

3.4.2 THỰC NGHIỆM 2 Đo dòng được sạc vào accu khi sử dụng tấm pin mặt trời sử dụng bộ điều khiển sạc qua từng giờ.

Hình 3.4: Ắc-quy HITACHI HS-series

Hình 3.5: Bộ điều khiển sạc PVSC30A

 Thông số kỹ thuật: Hệ volt: 12/24V. Điện áp đầu vào tối đa của tấm pin mặt trời: 50V.

Tối đa dòng hiện tại đang sạc: 30A.

Công suất tối đa của bảng điều khiển năng lượng mặt trời: 240W/12V,

Các hình ảnh thực tế khi đo

Hình 3.6: Dòng của solar nạp cho acquy tại thời điểm 11h52

Hình 3.7: Dòng của solar nạp cho acquy tại thời điểm 12h

Bảng 4: Kết quả đo kiểm dòng từ solar nạp vào acquy

Thời gian (h) Cường độ dòng điện (A)

(A) BIỂU ĐỒ DÒNG TỪ TẤM PIN NẠP VÀO ACQUY

Hình 3.10: Biểu đồ thể hiện dòng từ solar panels nạp cho accquy

Nhận xét: Ban đầu dòng từ tấm pin vô acquy chưa ổn định nên dòng sẽ tăng lên từ từ, từ

0.74A lên 2.01A, tuy nhiên do bức xạ mặt trời thay đổi nên cho ra dòng ở mỗi thời điểm là khác nhau Đỉnh điểm là tấm pin cho ra dòng lớn nhất là 5.58A lúc 12h21 Từ thí nghiệm trên, ta thấy được khả năng sạc của tấm pin cho acquy tại thời điểm bức xạ lớn nhất trong ngày.

Tiến hành thực nghiệm trên xe:

Thiết bị gồm có: 1 tấm pin solar panel VBMS290AJ07.

1 bộ điều khiển sạc PVSC30A.

1 chiếc xe bán tải ford ranger.

Hình 3.11: Các thiết bị cần dùng để tiến hành thực nghiệm

Hình 3.12: Sơ đồ đấu nối tấm pin solar panels cho acquy trên xe

Bước 1: Đưa tấm pin lên xe và tiến hành Lắp mạch trên xe

Hình 3.13: Đấu nối thực nghiệm trên xe

Bước 2: Đo dòng của tải khi chưa lắp pin solar panel trên xe

Khi vừa mới bấm khóa xe: Tải lớn có dòng do kèn và đèn và ECU điều khiển tín hiệu nên dòng ra của tải lớn 7.13A (lúc 10h18).

Hình 3.14: Đo dòng tải khi mới bấm khóa xeKhi ổn định dòng: Không còn đèn và kèn xe nên dòng tải ổn định lại nhưng vẫn còn dòng cấp 0.70A cho hộp ECU (lúc 10h20).

Bước 3: Đo dòng của tải khi có tấm pin solar panel.

Khi mới cấp nguồn từ solar panel thì dòng của pin có giảm nhưng do acquy vẫn chưa được sạc đầy nên nguồn từ solar chủ yếu cấp cho acquy nên vẫn còn dòng tải (lúc 10h36)

Hình 3.16: Dòng từ tải và solar khi mới cho nguồn từ tấm pin solar panels

Qua một thời gian acquy được sạc đầy lúc này watt meter của dòng tải hiện

0Amp điều này chứng tỏ rằng đã có sự can thiệp của tấm pin solar vào tải trên xe (lúc11h17).

Bảng 5: Kết quả đo dòng của tải và solar

Thời gian (H) Dòng từ tải (A) Dòng từ solar (A)

Hình 3.18: Biều đồ thể hiện dòng từ tải và dòng từ solar

(A) BIỂU ĐỒ HIỂN THỊ DÒNG TỪ TẢI VÀ TỪ TẤM PIN

Dòng từ tải Dòng từ Solar

Khi xe không có sự hỗ trợ của tấm pin solar panels thông qua bộ watt meter hiện thị dòng từ tải ta thấy xe có tiêu tốn một lượng tải nhỏ, khi bấm khóa xe mở điện thì xe có vụt lên một dòng tải lớn khi đó máy phát chưa hoạt động thì tải sẽ lấy nguồn từ acquy.

Khi xe có sự hỗ trợ của tấm pin solar panels thông qua bộ watt meter dòng từ solar thấy có dòng sạc đi qua sạc cho acquy và nhìn vào bộ watt meter dòng từ tải thấy có hiện tượng giảm, lúc này thì tấm pin solar panels chủ yếu sạc cho acquy nên dòng từ tải vẫn còn nhưng sau một khoảng thời gian thì thấy dòng từ tải hiện thị còn 0Amp chứng tỏ pin solar panel đã có sự hỗ trợ giúp acquy ko bị cạn kiệt trong trạng thái xe dừng đỗ, cũng chứng tỏ được một phần sự tiết kiệm năng lượng trên xe.

TH1: Xe nổ máy chưa có tấm pin solar panels.

Hình 3.19: Dòng của máy phát khi xe mở máy lạnh, quạt TH2: Xe nổ máy có tấm pin solar panels.

Hình 3.20: Dòng từ máy phát và dòng từ solar

Bảng 6: Kết quả đo dòng của máy phát và tấm pin

Thời gian (h) Máy phát (A) Tấm pin (A)

(A) BIỂU ĐỒ ĐO DÒNG MÁY PHÁT

(A) BIỂU ĐỒ DÒNG TẤM PIN

Hình 3.21: Đo dòng máy phát và tấm pin

Nhận xét: Khi xe mới nổ máy, máy phát cho ra dòng là 32.5A sau khoảng thời gian 6 phút vào lúc

11h56 thì dòng máy phát ổn định còn 30.3A Lúc này ta bắt đầu sử dụng tấm pin thì ta thấy dòng của máy phát có hiện tượng giảm dần còn 29.8A còn dòng của tấm pin thì tăng dần lên đến 1.05A vào lúc 12h Từ hiện tượng trên ta thấy rằng tầm pin đã phụ một phần cho máy phát để cấp cho tải,điều này chứng tỏ khi có thêm tấm pin thì giúp cho xe được tiết kiệm một phần nhiên liệu.

Vị trí để thực nghiệm