Các thành phần cơ bản của một hệ thống tưới cây tự động Gồm có các thành phần sau: - Hệ thống điều khiển trung tâm: Được lập trình để điều khiển việc tưới cây theo các thời gian và mức đ
GIỚI THIỆU
Giới thiệu đề tài
Nước ta là đất nước phát triển nông nghiệp, việc trồng trọt của người nông dân là hết sức quan trọng trong việc góp phần phát triển nền nông nghiệp nước nhà Bên cạnh đó, chúng ta có thể thấy rõ khí hậu của Địa Cầu đang dần biến đổi khiến việc trồng trọt của người nông dân đang rất là khó khăn Vì vậy, họ cần những phát minh tiện lợi, hiện đại giúp họ phần nào trong trồng trọt, nhưng nó phải đảm bảo an toàn và thân thiện với môi trường Vì thế, hệ thống tưới tiêu thông minh là cái mà chúng nên nhắm đến và đồng thời việc bảo vệ môi trường cũng là vấn đề nên được ưu tiên bằng cách sử dụng nguồn năng lượng mà thiên nhiên sẵn có và có thể sử dụng lại
2 Lý do chọn đề tài:
Hiện nay, nhu cầu cung cấp năng lượng ngày càng tăng Năng lượng chúng ta đang sử dụng phần lớn là đến từ nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than, khí đốt…, nhưng chúng thì đang dần cạn kiệt và đến một lúc nào đó có thể sẽ biến mất hoàn toàn Cách giải quyết đó là thay thế bằng các nguồn năng lượng sẵn có như gió, mặt trời… bởi vì chúng có thể tái tạo được.
Hình 1.1: Biểu đồ các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới 1990 - 2020
Nuclear Hydro Wind, solar, etc.
Biểu đồ các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới
Hình 1.2: Tổng phần trăm các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới năm 2020
Năng lượng tái tạo là các dạng năng lượng có thể tái tạo được và gần như là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, sinh khối, địa nhiệt Năng lượng tái tạo không góp phần gây ô nhiễm môi trường Trong đó năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng sử dụng ánh sáng từ mặt trời từ đó chuyển đổi thành điện năng hay nhiệt năng phục vụ cho nhu cầu sử dụng của con người
Việt Nam là một quốc gia nhiệt đới, đất nước được biết đến phát triển bằng nền nông nghiệp Thế nhưng, do biến đổi khí hậu, lượng mưa giảm, thiếu nước nghiêm trọng Nhiều vườn cây trồng đang bị ảnh hưởng, cây trồng không được tưới đúng lịch trình, dẫn đến giảm năng suất và tổn thất kinh tế cho người nông dân Có thể thấy, hiện nay các tỉnh tây nguyên như Lâm Đồng, Đăk Nông, Gia Lai,… đang phải đối mặt với hạn hán khi tới mùa khô Ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu làm mực nước các sông, hồ, suối và giếng xuống thấp gây nguy cơ không đủ nước tưới cho cây trồng Một hệ thống tưới cây thông minh, tiết kiệm năng lượng, giảm sức lao động cho người nông dân và đặc biệt không gây hại đến môi trường là hết sức cần thiết
Do vậy, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình tưới cây tự động hoạt động bằng năng lượng mặt trời” làm đề tài nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp này
Tổng phần trăm các nguồn cung cấp năng lượng trên thế giới 2020
Coal Natural gas Nuclear Hydro Wind, solar, etc Biofuels and waste Oil
3 Phương pháp thực hiện đề tài
- Tìm hiểu về các hệ thống tưới tự động sẵn có Từ đó xác định nhu cầu hệ thống của nhóm
- Thực hiện việc tính toán và mô phỏng hệ thống trên phần mềm
- Tiến hành chế tạo mô hình thực tế
- Đánh giá và phân tích hệ thống
- Tìm hiểu và phân tích các hệ thống tưới cây tự động hiện có
- Mô phỏng tính toán và lập trình điều khiển cho hệ thống tưới cây tự động bằng năng lượng mặt trời thông qua phần mềm
- Thiết kế và lắp đặt mô hình thực tế
5 Sản phẩm của đề tài
- Mô hình thực tế của hệ thống
- Tính toán, mô phỏng được hệ cấp nguồn cho hệ thống tưới tự động bằng năng lượng mặt trời sử dụng phần mềm Pvsyst
- Lắp đặt thành công mô hình
- Hệ thống hoạt động đúng theo mong muốn.
Giới thiệu về hệ thống tưới cây tự động
1 Tổng quan về hệ thống tưới cây tự động
Hệ thống tưới cây tự động là một phương pháp tưới cây hiện đại được sử dụng phổ biến trên toàn thế giới Hệ thống này được thiết kế để tưới nước cho cây thay cho việc tưới nước thủ công của con người; đồng thời, điều tiết lượng nước, cải thiện chất lượng cây trồng và tăng hiệu quả sản xuất
✓ Hệ thống được thiết kế để hoạt động tự động, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người nông dân nói riêng và người sử dụng nói chung
✓ Hệ thống cung cấp đúng lượng nước và đúng thời điểm cần thiết cho cây trồng, giúp tăng năng suất và chất lượng nông sản
✓ Có nhiều loại hệ thống tưới cây tự động khác nhau cũng như nhiều phương thức tưới phù hợp với nhiều loại cây trồng và đất trồng khác nhau Ví dụ, đất sét giữ nước tốt hơn đất cát, do đó cần ít nước hơn để tưới cây Trong khi đó, đất cát giữ nước kém hơn, cần nhiều nước hơn để tưới cây
✓ Chi phí đầu tư ban đầu cao, nhưng sau đó hệ thống sẽ giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người sử dụng
✓ Hệ thống cần chi phí đầu tư cao để lắp đặt và bảo trì
✓ Hệ thống yêu cầu nguồn nước đầy đủ và nguồn điện ổn định
✓ Hệ thống có nhiều thiết cần được bảo trì và sửa chữa thường xuyên so với tưới cây thủ công để đảm bảo hoạt động hiệu quả và tránh các sự cố
✓ Khi hệ thống gặp sự cố, việc sửa chữa gặp khó khăn và tốn nhiều thời gian
1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống tưới cây tự động
Gồm có các thành phần sau:
- Hệ thống điều khiển trung tâm: Được lập trình để điều khiển việc tưới cây theo các thời gian và mức độ ướt đất cần thiết Ngoài ra, nó còn bảo vệ được thiết bị khác
- Máy bơm nước: Là chi tiết quan trọng nhất của hệ thống, vì nó đảm nhận nhiệm vụ dẫn nước đến ống và và béc phun
- Hệ thống ống: Bao gồm các ống nước và các van điều khiển để điều chỉnh lưu lượng nước đến các đầu phun
- Đầu phun tưới nước: Các đầu phun tưới nước được gắn vào các ống dẫn và phun nước ra để tưới cây
Hình 1.3: Cấu tạo hệ thống tưới cây tự động
2 Các phương pháp điều khiển tự động khác nhau
Tưới cây là hoạt động thiết yếu trong nông nghiệp, giúp cho cây trồng được tăng trưởng tốt hơn, đạt năng suất cao hơn Tuy nhiên, việc tưới cây truyền thống bằng tay hoặc bằng phương tiện thủ công có nhiều hạn chế về mặt thời gian và khó khăn trong việc kiểm soát lượng nước cần tưới cho cây Vì vậy, các hệ thống tưới cây tự động đã được phát triển để giúp cho việc tưới cây trở nên hiệu quả Ngoài ra, có nhiều cách điều khiển để hệ thống tưới hoạt động một cách tự động như: sử dụng timer, sử dụng cảm biến
2.1 Hệ thống tưới cây tự động sử dụng timer
Hệ thống tưới cây hẹn giờ là một loại hệ thống tưới tự động được thiết kế để tưới cây theo một lịch trình được thiết lập trước đó Hệ thống này hoạt động dựa trên việc sử dụng bộ hẹn giờ hay còn gọi là timer có chức năng đóng, mở tự động đường ống tưới thông qua bảng điều khiển tích hợp sẵn tính năng hẹn giờ
Hình 1.4: Hệ thống tưới tự động sử dụng bộ hẹn giờ
2.2 Hệ thống tưới cây tự động sử dụng cảm biến
Hệ thống tưới cây tự động sử dụng cảm biến là loại hệ thống được thiết kế đo lường mức độ ẩm đất, nhiệt độ và ánh sáng môi trường xung quanh bằng cảm biến để điều khiển việc tưới nước giúp cây trồng một cách tối ưu
Khi đất trở nên khô, cảm biến sẽ cung cấp thông tin cho bộ điều khiển để kích hoạt hệ thống tưới nước và cung cấp lượng nước cần thiết cho cây trồng Tương tự, khi môi trường xung quanh trở nên quá nóng hoặc quá lạnh, hệ thống sẽ điều chỉnh việc tưới nước để đảm bảo rằng cây trồng được cung cấp nước đúng lượng và đúng thời điểm
Hệ thống tưới cây tự động sử dụng cảm biến giúp tiết kiệm nước và đảm bảo cây trồng được cung cấp đủ lượng nước cần thiết Hơn nữa, hệ thống này còn giảm thiểu sự mất mát của nước do tưới quá nhiều hoặc tưới không đúng thời điểm, giúp bảo vệ môi trường và tiết kiệm chi phí cho người trồng cây
Hình 1.5: Cảm biến độ ẩm đất
2.3 Hệ thống tưới cây tự động tích hợp giám sát và điều khiển từ xa
Hệ thống tưới tích hợp điều khiển từ xa là loại hệ thống tưới tự động được điều khiển bằng công nghệ thông tin và có thể được điều khiển từ xa thông qua một thiết bị điện tử như điện thoại thông minh hoặc máy tính Hệ thống này có thể được lập trình tự động bật và tắt theo các lịch trình được thiết lập trước đó, hoặc được điều khiển trực tiếp từ xa
Hệ thống tưới tích hợp điều khiển từ xa cho phép người sử dụng dễ dàng điều khiển hoạt động của hệ thống tưới ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào, đặc biệt là trong trường hợp cần thiết phải điều chỉnh lịch tưới trong trường hợp thời tiết thay đổi, hoặc khi cần bổ sung nước cho cây trong trường hợp đất khô cằn hơn dự kiến
Một số hệ thống tưới tích hợp khiển từ xa cũng có khả năng kết nối với các thiết bị cảm biến độ ẩm đất và thời tiết để tự động điều chỉnh thời gian và lượng nước tưới phù hợp với điều kiện hiện tại của cây trồng Điều này giúp tối ưu hóa sử dụng nước và năng lượng và giảm thiểu các chi phí vận hành
Hình 1.6: Hệ thống tưới cây tự động tích hợp điều khiển từ xa
3 Các hình thức tưới của hệ thống tưới cây tự động
3.1 Hình thức tưới nhỏ giọt
Tưới nhỏ giọt là một hình thức tưới cây trong đó nước được cung cấp cho cây thông qua một mạng lưới ống nhỏ và phân phối nước thành từng giọt nhỏ trực tiếp đến khu vực gốc cây Thông thường, các ống nhỏ này được gắn kết với các vòi phun nhỏ giọt, được đặt ở mỗi cây hoặc khu vực cây cần tưới
Hình 1.7: Hình thức tưới nhỏ giọt
3.2 Hình thức tưới phun mưa
Hình thức tưới phun mưa được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp và cả trong các khu vườn, công viên Hệ thống tưới cây tự động hoạt động bằng cách sử dụng đầu phun nước được gắn trên một đường ống chính, và bộ điều khiển tự động sẽ điều chỉnh và kiểm soát việc phun nước để đảm bảo tưới đều trên diện tích đất được chỉ định
Hình 1.8: Hình thức tưới phun mưa
3.3 Hình thức tưới phun sương
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Điện năng lượng mặt trời
1 Hệ thống điện mặt trời là gì?
Hệ thống điện mặt trời sử dụng các tấm pin mặt trời và một số thiết bị khác, hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, biến đổi năng lượng bức xạ thành năng lượng điện Dòng điện từ các tấm pin sẽ thông qua thiết bị inverter, từ dòng điện một chiều (DC) chuyển thành dòng điện xoay chiều (AC) cấp điện cho phụ tải
Hệ thống gồm những thành phần sau:
• Khung giá đỡ và các phụ kiện
• Hệ thống giám sát từ xa
Hiện nay có 3 hệ thống điện mặt trời phổ biến: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On Grid), hệ thống điện mặt trời độc lập (Off Grid) và hệ thống điện mặt trời kết hợp (Hybrid)
2.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới
Hệ thống điện mặt trời hòa lưới được nối trực tiếp vào lưới điện của Điện lực Điện tạo ra sẽ được cung cấp cho các thiết bị điện, hệ thống ưu tiên sử dụng điện năng lượng mặt trời trước, nếu thiếu sẽ sử dụng điện từ lưới điện
Hình 2.1: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới
2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập
Hệ thống điện mặt trời độc lập hoạt động độc lập bằng cách lấy điện từ pin lưu trữ hoặc ắc quy mà không sử dụng điện lưới Nên trước khi lắp cần phải khảo sát kĩ để thiết kế hệ thống phù hợp tạo ra đủ lượng điện và có đủ dung lượng pin đáp ứng nhu cầu ngay cả khi có ít hay không có ánh nắng mặt trời Bên cạnh đó, giá đầu tư ban đầu cao và mức tiền bảo trì, bảo dưỡng cũng rất lớn Thế nên những nơi không có hoặc xa lưới điện mới nên lắp đặt
Hình 2.2: Hệ thống điện mặt trời độc lập 2.3 Hệ thống điện mặt trời kết hợp
Hệ thống điện mặt trời kết hợp bao gồm cả 2 hệ thống trên Hệ thống ưu tiên sử dụng năng lượng mặt trời để sử dụng cho tải ưu tiên (thiết bị cần ưu tiên nguồn điện liên tục), đồng thời sạc cho bình ắc quy Khi mặt trời không đáp ứng đủ, hệ thống sẽ sử dụng điện từ ắc quy và mặt trời để cung cấp cho tải Khi năng lượng từ mặt trời và ắc quy không đủ thì hệ thống sẽ dùng điện từ lưới cung cấp cho tải và sạc cho ắc quy
Hình 2.3: Hệ thống điện mặt trời kết hợp
3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tấm pin năng lượng mặt trời
Thời tiết: Thời tiết râm mát, nhiều mây hay trời mưa, bão … dẫn đến thiếu ánh sáng mặt trời sẽ làm giảm sản lượng điện
Nhiệt độ: Nhiệt độ quá cao cũng sẽ làm giảm năng suất của pin nên khi lắp đặt người ta thường tạo khoảng trống giữa tấm pin và mái nhà để gió thổi vào làm mát tấm pin
Bụi bẩn: Bụi sẽ làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời của pin nên phải thường xuyên kiểm tra và vệ sinh tấm pin
Hướng và độ nghiêng của tấm pin mặt trời: Cần phải đặt tấm pin đúng hướng và đủ độ nghiêng để lượng bức xạ hấp thụ là nhiều nhất Bởi vì, mặt trời di chuyển liên tục nhiều vị trí nên ta phải chọn hướng và độ nghiêng sao cho bức xạ vuông góc với bề mặt tấm pin lâu nhất Tại Việt Nam, hướng chính Nam là giúp đạt tối đa hiệu suất của pin mặt trời
Vị trí lắp đặt: Nếu đặt pin ở nơi bị che khuất ánh nắng hay lá cây rụng nhiều… thì hệ thống sẽ lấy công suất thấp nhất của tấm pin, đồng nghĩa với việc chỉ cần có một tấm pin bị đổ bóng sẽ dẫn hiệu suất của hệ thống bị giảm mạnh
Do chất lượng của tấm pin: Nếu sử dụng tấm pin kém chất lượng cũng sẽ không đảm bảo được khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời Vì vậy, chúng ta nên dùng các tấm pin mới, chính hãng để đạt được năng suất tối đa
Do hiệu suất của inverter: Trong khi chuyển đổi DC-AC, inverter cần năng lượng để thực hiện quá trình này, năng lượng bị lấy đi để cung cấp cho inverter dẫn đến thất thoát năng lượng.
Đường đặc tuyến I-V
1 Đường đặc tuyến I-V là gì? Đường cong I-V hay còn gọi là đường đặc tuyến I-V là đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện I và điện áp V trên một tấm pin hoặc một mảng pin mặt trời Đường này thể hiện cách mà pin mặt trời hoạt động trong nhiều điều kiện Chẳng hạn như nhiệt độ, lượng bức xạ và tình trạng tấm pin Đường đặc tuyến I-V được thể hiện
14 trong hệ trục Oxy có trục hoành là dải giá trị của điện áp và trục tung là giá trị dòng điện của pin mặt trời
Hình 2.4: Hình mô tả đặc tuyến I-V
Khi tấm pin hoặc mảng pin hoạt động, đặc tuyến I-V sẽ tập hợp các điểm hoạt động của tấm pin hay mảng pin Tại mỗi điểm trên đường này có thể xác định dòng và điện áp, từ đó xác định được công suất hoạt động của pin mặt trời Dòng điện ngắn mạch ISC là điểm bắt đầu của đường đặc tuyến I-V và điểm kết thúc là điện áp hở mạch VOC Tại điểm ISC có điện áp V=0 và tại điểm VOC thì có dòng điện I=0 Vì vậy công suất tại hai điểm này bằng 0
Trong việc thực hiện tính toán cho một hệ thống điện mặt trời có hai điểm quan trọng là Impp và VMpp Dựa vào đó tính công suất cực đại của pin hay mảng pin mặt trời
Hình 2.5: Hình mô tả điểm công suất cực đại
Ngoài ra dựa vào Impp và Vmpp ta có thể tính được hệ số điền kín pin mặt trời với công thức:
2 Ý nghĩa đặc tuyến I-V Đặc tuyến I-V cho thấy sự hoạt động của các điểm của tấm pin năng lượng mặt trời Ở nhiệt độ 25 o C và với lượng bức xạ là 1000 W/m 2 , các điểm hoạt động của tấm pin sẽ tạo thành đặc tuyến I-V đúng với nhà sản xuất đã công bố Đây cũng là dấu hiệu để nhận biết nhanh chóng có bất kỳ sự cố nào xảy ra với tấm pin mặt trời hay không Vì nếu có sự cố thì dòng và áp đều bị ảnh hưởng và được ghi lại phía trên đồ thị đường cong I-V
Như đã nhắc đến phía trên, đường cong I-V được thể hiện trong hệ trục Oxy, nếu riêng mỗi loại giá trị dòng điện, giá trị điện áp hoặc cả hai bị biến đổi một cách không bình thường thì đường cong I-V sẽ không còn như ban đầu Vì thế, vấn đề này rất cần được lưu ý
Tóm lại, đặc tuyến I-V dự báo sự cố bằng cách đối chiếu với đường cong của hệ thống khi hoạt động ở điều kiện tiêu chuẩn Ngoài ra, đặc tuyến I-V còn cho ta biết về cường độ bức xạ của mặt trời hay nhiệt độ ở thời điểm hoạt động Những thông tin này sẽ không hiển thị trên đường đặc tuyến I-V mà chúng ta có thể đoán thông qua sự thay đổi của giá trị điện áp và dòng điện
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Tính toán, thiết kế hệ cấp nguồn cho hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời độc lập
Hệ thống bao gồm các thành phần cơ bản với chức năng sau:
• Tấm PV (Solar Panel): Các tấm PV được ghép nối với nhau tạo thành mảng
• Thiết bị lưu trữ năng lượng (Energy Storage): Dùng để lưu trữ điện năng từ các tấm PV
• Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời (Solar Charge Controller): Được dùng để điều khiển dòng sạc từ các tấm PV vào pin lưu trữ hoặc ắc quy Khi thiết bị lưu trữ đầy, bộ sạc sẽ ngưng sạc và ngược lại
• Ngoài ra, hệ thống còn một số thành phần khác như: Khung, giá đỡ, dây dẫn, các khí cụ điện, …
2 Một số thiết bị trên thị trường
Hiện tại, có 3 loại tấm PV phổ biến là: pin mono, pin poly và thin - film
17 Đơn tinh thể (Mono) Đa tinh thể (Poly) Màng mỏng (Thin-Film)
Cấu tạo và ngoại hình
- Được làm từ silicon đơn tinh thể
- Hình dạng: Tế bào quang điện hình vuông vạt góc, xếp thành các khoảng trống hình thoi màu trắng
- Được làm từ silicon đa tinh thể
- Hình dạng: Tế bào quang điện xếp thành một mảng lớn
- Được làm từ các chất bán dẫn như CdTe, A-
- Màu sắc: có màu đen hoặc xanh tùy vào chất liệu tạo thành
- Hình dạng: mỏng hơn hai loại PV kia, kích thước không đồng đều Hiệu suất - Cao nhất - Thấp hơn pin mono - Thấp hơn pin poly Giá thành - Cao nhất - Thấp hơn pin mono - Thấp hơn pin poly
- Thích hợp nơi có cường độ ánh sáng mặt ít, diện tích lắp đặt nhỏ
- Thích hợp nơi có cường độ ánh sáng mặt trời nhiều, số giờ nắng trong năm lớn
- Lắp ở nơi thường xuyên di chuyển
Bảng 3.1: Một số loại PV có trên thị trường
Thông số của tấm pin:
Hình 3.2: Thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời
2.2 Thiết bị lưu trữ năng lượng (Energy Storage)
Acquy chì acid và acquy Lithium là hai loại thiết bị lưu trữ năng lượng mặt trời phổ biến
Bảng 3.2: Một số loại thiết bị lưu trữ phổ biến trên thị trường
Acquy chì acid Acquy Lithium
Có giá thành thấp Tiết kiệm được khoản đầu tư ban đầu
Có giá thành cao nhưng có chu kỳ sạc nhiều, tuổi thọ cũng lâu hơn Tiết kiệm được chi phí bảo trì, thay thế
Khối lượng Nặng hơn Nhẹ hơn Độ xả sâu Chỉ nên xả ở mức 50% Nếu vượt quá sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ pin
Có thể lên đến 80% hoặc hơn trong 1 chu kỳ sạc
Hiệu suất Hiệu suất khoảng 80-85% Có hiệu suất trên 95%
Sử dụng cho hệ thống điện độc lập Sử dụng cho hệ thống hybrid,
Thông số của Acquy Lithium 24V:
Hình 3.3: Thông số của ắc quy Lithium 23V
Thông số Acquy Axit chì 12V:
Hình 3.4: Thông số của ắc quy axit chì 12V 2.3 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời (Solar Charge Controller)
Solar Charge Controller là thiết bị nối giữa các tấm pin mặt trời và ắc quy lưu trữ, giúp lấy năng lượng từ PV điều khiển sạc cho ắc quy
Chức năng của Solar Charge Controller:
• Kiểm soát lượng năng lượng đi từ các tấm pin đến acquy
• Khi ắc quy đầy, thì bộ sạc sẽ ngăn không cho hệ thống sạc nữa, tránh gây sôi bình và giảm tuổi thọ ắc quy
• Ngoài ra, bộ sạc còn ngăn không cho dòng điện đi ngược lên PV vào ban đêm, tránh tấm pin bị hỏng
• Phân loại solar charge controller: Hiện nay có hai công nghệ sử dụng trong Solar Charge Controller là PWM và MPPT
- Bộ điều khiển sạc Pulse-Width Modulation (PWM) còn được gọi là điều chỉnh độ rộng xung Điều chỉnh điện áp đầu ra tấm PV thành điện áp acquy Dòng điện qua bộ sạc PWM không thay đổi
- Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT (Maximum Power Point Tracking) Nó sẽ đo điện áp tại điểm công suất cực đại của tấm PV và chuyển đổi thành điện áp acquy Dòng điện qua bộ sạc MPPT sẽ được điều chỉnh để công suất đầu vào bằng với công suất đầu ra
Dòng sạc - Bộ sạc PWM có dòng sạc từ 10A đến 60A
- Bộ sạc MPPT có dòng sạc từ 10A đến 100A
- Giá thành rẻ hơn bộ điều khiển MPPT
- Bộ điều khiển sạc PWM bền, hầu hết đều có tản nhiệt thụ động làm mát
- Hoạt động tốt ở các hệ thống nhỏ
- Hoạt động tốt ở các hệ thống lớn, phức tạp
- Bộ điều khiển sạc MPPT có thể nhận dòng sạc lên đến 100A
- Tấm PV và acquy phải có điện áp phù hợp với bộ sạc Nên chúng không thích hợp cho hệ thống lớn hơn, phức tạp
- Không có bộ điều khiển sạc PWM có dòng sạc lớn hơn 60A cho đến nay
- Hiệu suất kém hơn MPPT
- Bộ điều khiển sạc MPPT có giá thành cao hơn PWM
- Bộ điều khiển sạc MPPT có kích thước lớn
- Kém bền hơn bộ sạc PWM
- Sạc lại các thiết bị di động và thiết bị điện tử
- Sạc lại các nguồn năng lượng độc lập
- Điều khiển dòng điện và điện áp sạc
- Bảo vệ thiết bị và nguồn năng lượng
- Cải thiện hiệu quả sạc
- Việc nắn dòng PV khi sạc vào acquy của bộ sạc là một công việc khá là quan trọng Nó giúp đảm bảo quá trình sạc acquy diễn ra hiệu quả và an toàn
- Một trong số cách nắn dòng đó là điều chỉnh giới hạn dòng sạc
Bảng 3.3: Bảng so sánh giữa PWM và MPPT
Thông số của bộ sạc PWM 12V:
Hình 3.5: Thông số bộ sạc PWM 12V
Thông số bộ sạc MPPT 12V:
Hình 3.6: Thông số bộ sạc MPPT 12V
3.Thiết kế hệ cấp nguồn cho hệ thống
Hệ thống tưới cây tự động,mức độ và thời gian sử dụng như sau:
Năng lượng tiêu thụ (Wh) Đèn Xanh, Đỏ,
Bảng 3.4: Bảng công suất tiêu thụ điện năng trong 1 ngày
Hình 3.7: Biểu đồ phụ tải thiết bị điện
Theo đồ thị trên thì công suất đạt giá trị lớn nhất Pmax=5.2W Điện năng tiêu thụ trong ngày:
• A 𝑑𝑎𝑦 : Điện năng tiêu thụ trong ngày, Wh
3.1 Lựa chọn thiết bị lưu trữ
• 𝐶 𝑏𝑎𝑡 : Dung lượng của bộ acquy, Ah
• 𝐴 𝑛𝑔 : Điện năng tiêu thụ trong ngày, Wh
• 𝑁 𝑑 : Số ngày tự quản của bộ acquy, ngày
• D: Độ xả sâu của acquy, % D = 80% đối với acquy lithium, acquy chì acid nên hoạt động ở D = 50% để đảm bảo ắc quy làm việc lâu dài
• 𝜂 𝑖𝑛𝑣 : Hiệu suất của bộ biến tần, % Các biến tần hiện nay có hiệu suất cao nhất từ 92% đến 94% theo đánh giá của nhà sản xuất Tuy nhiên, ở điều kiện thực tế hiệu suất chỉ đạt từ 88% đến 92%
• 𝑉 𝑏𝑎𝑡 : Điện áp của hệ thống lưu trữ, V Để tiết kiệm chi phí đầu tư, acquy acid chì sẽ được lựa chọn Chọn điện áp hệ lưu trữ là 12VDC, D = 50% để ắc quy làm việc lâu dài
Lựa chọn số ngày tự quản cho hệ thống lưu trữ khá quan trọng Vì nó giúp đảm bảo việc cung cấp điện trong những ngày không có ánh sáng mặt trời để sạc lại hoặc hệ thống bị hư hỏng Nếu chọn số ngày tự quản càng nhiều thì dung lượng của hệ thống lưu trữ sẽ càng cao, đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho hệ thống Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu sẽ rất cao
Vậy, dung lượng của bộ acquy lưu trữ:
Do đó, ta cần phải thiết kế hệ thống lưu trữ với điện áp 12VDC, dung lượng 6Ah Dựa vào các thông số trên, nhóm đề xuất chọn acquy chì acid
Peak sun hour (PSH) là một đơn vị đo lường được sử dụng trong năng lượng mặt trời để chỉ thời gian trong ngày mà một vùng đất nhất định nhận được mức độ năng lượng mặt trời cao nhất
Peak sun hour (PSH) là số giờ trong ngày khi ánh sáng mặt trời đạt đến độ sáng tối đa Việc lựa chọn tấm pin mặt trời phù hợp dựa trên PSH phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khí hậu địa phương, vị trí địa lý, hướng nhà và độ nghiêng của mái nhà hoặc bề mặt lắp đặt tấm pin
Trong các khu vực có PSH cao, các tấm pin mặt trời hiệu suất cao như tấm pin mặt trời tấm mono-crystalline có thể được sử dụng để tối đa hóa lượng năng lượng thu được từ mặt trời Trong khi đó, các khu vực có PSH thấp hơn có thể yêu cầu sử
25 dụng các loại tấm pin mặt trời khác như tấm pin mặt trời tấm poly-crystalline hoặc tấm pin mặt trời Thin-film để đảm bảo thu được lượng năng lượng tối ưu
Hình 3.8: Đồ thị của Peak Sun Hour
Hình 3.9: Bước xạ ở góc nghiêng tối ưu
Hình 3.10: Bảng số liệu về tiềm năng năng lượng mặt trời tại khu vực Thủ Đức, Tp.HCM (Khi sử dụng Global solar atlas)
Số giờ nắng trong năm tại TP.HCM(Thủ đức) : 1834,1 kWh/m 2 /năm
Số giờ nắng trung bình là :1834,1 (kWh/m 2 /năm) / 365 (Ngày/năm) = 5.02 (h/ngày)
Số tấm pin cần cho hệ thống : 𝑁 𝑃𝑉 = 𝐴 𝑑𝑎𝑦
5.02𝑔𝑖ờ 𝑥 35𝑊𝑝 𝑥 0,8 = 0.1 Vậy cần 1 tấm pin mặt trời 35W, Model: IR035PC4-36 của hãng IREX ENERGY Trong đó:
• 𝐴 𝑑𝑎𝑦 : Điện năng tiêu thụ trong ngày, Wh
• ℎ 𝑛 : Số giờ nắng trung bình của ngày trong năm, h
• 𝑃 𝑜𝑝𝑡.𝑃𝑉 : Công suất đỉnh của tấm pin, Wp
• 𝜂: Hiệu suất của hệ thống Trên thực tế, hiệu suất này sẽ không đạt tối đa vì tổn thất
3.3 Lựa chọn thiết bị sạc:
Hiện nay có 2 loại công nghệ sạc MPPT và PWM qua sự so sánh cũng như tìm hiểu nhóm em quyết định chọn công nghệ sạc PWM vì:
Giá thành: Bộ điều khiển sạc PWM thường rẻ hơn bộ điều khiển sạc MPPT Điều này khiến cho bộ điều khiển sạc PWM trở thành lựa chọn phù hợp cho các hệ thống nhỏ
Xây dựng chương trình điều khiển
Tự động Bán tự động Manual
Chạy chương trình theo chế độ đã chọn
Chương trình ở chế độ tự động:
Lấy giá trị độ ẩm
Tắt bơm, đèn đỏ sáng
Bật bơm, đèn xanh sáng Đ S
Chương trình ở chế độ bán tự động:
Chương trình ở chế độ Manual:
Bật bơm, đèn xanh sáng
Tắt bơm, đèn đỏ sáng Đ S
Mô tả lưu đồ giải thuật:
• Khi cấp nguồn cho hệ thống, arduino UNO R3, cảm biến độ ẩm đất và module thời gian thực RTC DS3231 đồng thời hoạt động Tiếp đến, chọn chế độ cho hệ thống hoạt động thông qua công tắc 2 trạng thái
• Khi hệ thống ở chế độ tự động, nếu độ ẩm chưa đạt thì relay sẽ kích cho bơm chạy cho đến khi độ ẩm đạt thì tắt bơm
• Khi hệ thống ở chế độ bán tự động thì cứ đến đúng thời gian đã cài đặt, relay sẽ kích cho bơm chạy trong 15 phút
• Khi hệ thống ở chế độ Manual, nếu gạt công tắc On thì bật bơm, còn gạt công tắc Off thì bơm tắt
2 Các bước mô phỏng kiểm tra
Sau khi mở phần mềm PVsyst lên thì cần chú ý đến 4 mục cần thiết trong PVsyst đó là: Orientation, User’s needs, System và Detail lossed đây là những mục giúp chúng ta mô phỏng được việc lựa chọn đúng công suất tấm pv, dung lượng acquy, bộ sạc, công suất bơm sao cho phù hợp với mô hình của chúng ta
Hình 3.11: Các mục cần thiết trước khi mô phỏng
Sau đây là những bước để mô phỏng Hệ thống tưới cây tự động bằng năng lượng mặt trời
• Bước 1: Vào Stand alone trong phần mềm PVsyst thì lý do chọn là vì hệ thống của chúng ta là hệ độc lập có lưu trữ
Hình 3.12: Chọn vào mục Stand alone
• Bước 2: Sau khi chọn Stand alone chúng ta bắt đầu đặt tên cho hệ thống của mình và lưu vào nơi dễ ghi nhớ
Tiếp đến là phần cốt lõi để giúp chúng ta mô phỏng hệ thống:
• Chọn vào mục Orientation thì ở mục này cho phép chúng ta lựa chọn việc đặt góc nghiêng của tấm pin và lượng bức xạ nhận được với góc nghiêng đấy
Tại đây chúng ta sẽ lựa chọn góc nghiêng cho phù hợp để lượng bức xạ mà tấm pv nhận vào là cao nhất ,thì ở đây Plane tilt :13 độ(độ nghiêng của tấm pv so với phương ngang)lượng bức xạ mà tấm pv nhận được trong năm là 1808 kWh/m2 và
Một chỗ quan trọng không thể thiếu trong mục Orientation đó là Loss/opt,chúng ta có thể biết được góc nghiêng dự kiến sẽ lắp đặt pin ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pv như thế nào thông qua Loss/opt
Hình 3.15: Lựa chọn góc nghiêng của tấm PV
• Bước 3: Sau khi hoàn thành mục Orientation ta chọn vào mục User’s need thì tại đây PVsyst sẽ cho phép điền các công suất của tải tiêu thụ trong hệ thống của chúng ta
Hình 3.16: Chọn mục User’s need
Tiếp theo vào phần Hourly distribution để xem đồ thị phụ tải
Hình 3.17: Điền các công suất của tải
Hình 3.18: Đồ thị phụ tải
• Bước 4: Sau khi hoàn thành mục User’s need thì ta chọn vào mục System
Hình 3.19: Chọn vào mục System
Tại mục System chúng ta cần chú ý đến 4 chỗ sau đó là:Storage,PV array ,Back- up và Simplified sketch
Chọn vào Storage ở phần này cho phép lựa chọn phần ắc quy lưu trữ cho phù hợp,chúng ta có thể lựa chọn loại acquy gì,hãng acquy,điện áp,dung lượng và số lượng
Hình 3.21: Lựa chọn ắc quy lưu trữ
Tương tự như vậy cho phần Pv array ,bên cạnh đó chúng ta còn có thể lựa chọn việc lưu trữ năng lượng của hệ thống trong bao nhiêu ngày ở phần Enter requested autonomy Để nhận biết việc chúng ta đã lựa chọn những thông số đã phù hợp hay chưa thì tại ô trống trong hình 12 nếu như không xuất hiện dòng chữ đỏ cảnh báo thì các thống số đã đúng
Hình 3.22: Lựa chọn tấm PV và bộ sạc Ở phần Back-up là liên quan đến máy phát điện vì vậy phần này chúng ta nên bỏ qua Ở phần simplified sketch sẽ cho chúng ta hiểu rõ về sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Một điều cần quan tâm là sau khi chọn các thông số của tấm pv, bộ sạc,ắc quy phù hợp thì chúng ta nên tìm thông tin trên trang web xem có thể dễ dàng mua hàng không, những hãng có sẵn trên PVsyst thông thường thì mua ở Việt Nam rất khó.Vì vậy ta cần add datasheet của những hãng ở Việt Nam vào thay cho những hãng có sẵn trong PVsyst bằng cách vào databases
Sau đó chọn vào phần PV modules hoặc Batteries tiếp đến là chọn vào new để add datasheet vào
Hình 3.25: Nơi add thông số tấm PV và Batteries
Xây dựng hệ thống thực tế
1 Danh sách thiết bị lắp đặt mô hình
Hình 3.26: Tấm pin mặt trời 35W
• Điện áp định mức (Vmp): 16.92V
• Dòng điện định mức (Imp): 2.07A
• Điện áp hở mạch (Voc): 20.87V
• Dòng điện hở mạch (Isc): 2.19A
• Loại pin: Pin polycrystalline (silicon đa tinh thể)
• Trọng lượng: 4kg Ắc quy:
• Kích thước: Dài 113 x Rộng 70 x Cao 105 mm
Bộ điều khiển sạc pin mặt trời:
Hình 3.28: Bộ điều khiển sạc PWM 12V-3A
• Bảo vệ quá tải, ngắn mạch: có
• Mất mát không tải: 5mA
• Mức độ bảo vệ: ip30
• Vật liệu bơm: PC + ABS
• Chiều dài cáp: Khoảng 100cm / 39.1in
• Đường kính đầu vào: 8mm / 0.33in
• Đường kính đầu ra: 8mm / 0.33in
• Kích thước sản phẩm: 60 x 49 x 45mm / 2.36 x 1.9 x 1.77 inch
• Điện áp định mức: DC 12V
• Đánh giá hiện tại 416mA
• Max số lượng dòng chảy: 280L / H
• Tiếng ồn: Ít hơn 35dB
• Lớp chống thấm nước: IP68
• Max nhiệt độ chất lỏng: 60°C
Hình 3.30: Chân chữ Z đỡ tấm pin
• Vật liệu: tôn tráng kẽm, nhôm
• Chiều dài tiêu chuẩn: L 0mm
• Điện áp đầu vào khuyến khích: 7V – 12V
• Điện áp đầu vào giới hạn: 6V – 12V
• Dòng điện tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA
• Bộ nhớ Flash: 32 kB (ATmega328P) – trong đó 0.5 kB dùng cho Bootloader
Mạch thời gian thực RTC DS3231:
Hình 3.32: Module thời gian thực RTC DS3231
• Thông tin giờ, phút, giây, ngày, thứ, tháng, năm, đến 2100
• I2C bus có tốc độ lên đến 400kHz
Relay 5VDC 1 kênh High/Low:
Hình 3.33: Relay 5VDC 1 kênh High/Low
• Điện thế đóng ngắt tối đa: DC30V ~ 10A hay AC250V ~ 10A
• Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper
• Kích thước: 5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm
Module cảm biến độ ẩm đất:
Hình 3.34: Module cảm biến độ ẩm đất
• PCB có kích thước 3.2 x 1.4 cm
• DO: Đầu ra tín hiệu số (High hoặc Low)
• AO: Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog) Đồng hồ đo dòng áp công suất mức năng lượng DC 20A:
Hình 3.35: Đồng hồ đo dòng, áp, công suất và mức năng lượng DC 20A
• Điện áp đo và hoạt động: 6.5 ̴ 100VDC, sai số 0.01
• Dòng điện đo và hoạt động: 0 ̴ 20A, sai số 0.01
• Công suất đo và hoạt động: 0 ̴ 2000W, sai số 0.01
• Kích thước màn hình: 30 x 51mm
• Kích thước thiết bị: 84.6 x 49.6 x 24.4mm
Relay trung gian HH52P 12VDC:
Hình 3.36: Relay trung gian 12VDC
• Điện áp cấp relay: 12VDC (tùy chọn)
• Dòng đóng cắt / 1 tiếp điểm: 5A/240VAC – 5A/28VDC
• Số điểm tiếp: 2NO + 2NC
• Khả năng cắt định mức: 4.5kA
Hình 3.38: Công tắc 2 vị trí
• Điện áp hoạt động: 12VDC, 24VDC, 220VAC, 380VAC
• 2 bộ tiếp điểm: 1 NO + 1 NC
Công tắc 2 trạng thái 3 vị trí:
Hình 3.39: Công tắc 3 vị trí
• Điện áp hoạt động: 12VDC, 24VDC, 220VAC, 380VAC
• Kích thước: 36 x 77 x 29mm Đèn báo 12VDC:
• Dòng điện hoạt động: < 20mA
• Đường kính lỗ lắp đặt: 22mm
Tủ điện nhựa ABS (400x300x200mm):
Hình 3.41: Tủ điện nhựa ABS
2 Lắp đặt mô hình thực tế
Hình 3.49: Hình ảnh thiết kế mô hình trên SketchUp
Ban đầu nhóm chúng em lên ý tưởng thiết kế mô hình trên sketchup cần những thiết bị nào, bố trí như nào cho phù hợp, gọn gàng và đẹp mắt nhất bên cạnh đó cũng phải đảm bảo về an toàn cho lúc lắp đặt
Hình 3.50: Hình ảnh thiết kế mô hình hoàn chỉnh
Tiếp đến nhóm em tiến hành khoan bắt tủ điện và đấu nối hệ thống điều khiển theo sơ đồ đấu nối như sau:
Hình 3.51: Sơ đồ đấu nối dây của hệ thống
Sau đó nhóm chúng em lắp đặt các thiết bị còn lại của mô hình như lắp bơm vào vào bể chứa nước, lắp béc phun sương vào chậu cây, …
Sau khi đã lắp đặt xong mô hình, nhóm em đã tiến hành đổ code cho vi điều khiển và cho hệ thống chạy bằng nguồn ắc quy trước để kiểm tra xem hệ thống có hoạt động như mong muốn hay không, đồng thời cũng đo điện áp của ắc quy Lúc này, nhóm cũng kiểm tra xem cảm biến độ ẩm, bơm, cũng như béc phun sương có hoạt động tốt hay không Riêng về cảm biến độ ẩm, nó phụ thuộc vào nhiều điều kiện như loại đất, ngoài trời hay trong nhà,… nên lúc kiểm tra xem cảm biến và hệ thống hoạt động như thế nào chỉ nhúng cảm biến vào chậu nước khi đạt độ ẩm và lấy cảm biến ra ngoài khi chưa đạt độ ẩm
Tiếp đến, nhóm đã đưa mô hình ra ngoài trời để tiến hành sạc ắc quy bằng năng lượng mặt trời và so sánh với kết quả đo lúc trước để xác định xem bộ sạc có sạc được cho ắc quy hay không
Cuối cùng, sau khi thấy hệ thống đã hoạt động đạt yêu cầu, nhóm đo đạc để lấy số liệu hệ thống hoạt động trong một ngày và tiến hành vẽ biểu đồ phụ tải cho thấy hệ thống hoạt động như thế nào Dựa vào số liệu thực tế đem so sánh với kết quả mô phỏng ban đầu và đưa ra kết luận
KẾT QUẢ
Kết quả mô phỏng hệ cấp nguồn bằng phần mềm PVsyst
Ban đầu với việc xác định tải tiêu thụ trong mô hình rất khó(Arduino,RTC DS3180,Relay,Sensor) nên nhóm em quyết định giả định tải tiêu thụ với bơm 5W là tải chính và các tải còn lại là 5W, tổng lại là 10W
Sau đó dựa vào PVsyst để mô phỏng:
Hình 4.1: Kết quả mô phỏng giả định 1
Hình 4.2: Kết quả mô phỏng giả định 2
Từ mô phỏng giả định có thể thấy rằng năng lượng mà tải sử dụng rất ít và năng lượng bị mất đi rất nhiều nguyên nhân là do công suất tải quá nhỏ và các yếu tố tổn hao (dây dẫn, nhiệt ) Đây cũng là lý do mà nhóm em gặp phải ,nhóm em không thể nào giảm giảm công suất của tấm pv cho phù hợp với tải được vì nếu thế sẽ giảm hiệu suất của acquy và cũng sẽ ảnh hưởng đến tính toán lựa chọn các thiết bị trong điều khiển tự động và mua những thiết bị đấy rất khó
Và một lý do khách quan mà cũng ảnh hưởng tới kết quả mô phỏng đó là việc lựa chọn datasheet của acquy, tấm PV, bộ sạc trong PVsyst thì các thông số này nó khác so với datasheet các thiết bị thực tế cho mô hình
Hình 4.3: Số liệu thực tế đo được từ mô hình
Từ kết quả trên cho thấy công suất của cả hệ thống là 5.2W sau đó nhóm em dùng PVsyst để mô phỏng lại và so sánh có sự chênh lệch nào so với công suất giả định là 10W không?
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng từ số liệu thực thế 1
Hình 4.5: Kết quả mô phỏng từ số liệu thực tế 2
Thông qua 2 kết quả nhóm em nhận thấy rằng không có khác biệt nhiều giữa mô phỏng và thực tế thông qua bảng so sánh sau:
Năng lượng cung cấp cho tải (kWh) Năng lượng mất đi
(kWh) Tổng công suất của hệ thống trong 1 năm
Tổng năng lượng cung cấp cho tải
Tổng năng lượng mất đi 38.143 kWh (89.6%)
Tổng công suất trong 1 năm là 3.7 kWh
Mô phỏng lấy số liệu từ thực tế
Tổng năng lượng cung cấp cho tải 2.555 kWh (7.35%)
Tổng năng lượng mất đi 39.493 kWh (92.65%)
Tổng công suất trong 1 năm là 2.6 kWh
Bảng 4.1: Bảng so sánh kết quả giữa mô phỏng giả định và mô phỏng thực tế
Kết quả thực tế của mô hình
Hình 4.6: Hình ảnh mô hình nhóm đã lắp đặt
Kết quả đo của mô hình khi bơm hoạt động và khi bơm dừng:
Hình 4.7: Đồng hồ đo công suất khi bơm chạy
Hình 4.8: Đồng hồ đo công suất khi bơm dừng
Số liệu đo được từ hệ thống chạy trong 20 phút được vẽ thành đồ thị sau:
Hình 4.9: Đồ thị phụ tải thể hiện quá trình hoạt động của bơm trong 20’
THỜI GIAN (h) ĐỒ THỊ PHỤ TẢI TRONG VÒNG 20 PHÚT