BÁO CÁO TỐT NGHIỆP

Pin mat troi

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong nhà trường và đặc biệt là các thầy cô Khoa Công nghệ kỹ thuật Điện tử trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, những người đã dạy dỗ, trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong bốn năm học vừa qua

Em xin cảm ơn thầy Phạm Xuân Khánh hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghệ Cao, thầy Hà Quang Thanh giảng viên khoa điện tử trường Đại học Công Nhiệp Hà Nội và phòng quang điện tử viện Vật lý Việt Nam đã tạo điều kiện giúp

đỡ cho em về trang thiết bị thí nghiệm trong suốt quá trình thực tập và làm đồ án

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới cô giáo Hà Thị Kim Duyên, người

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực tập và làm đồ án

Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người thân đã cổ vũ, động viên giúp em có thêm nghị lực để hoàn thành tốt đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011 Sinh viên

Tạ Văn Tiến

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 8

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 8

VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 8

1.1 Lịch sử ra đời của pin quang điện và hệ thống pin năng lượng mặt trời 8

1.2 Mặt trời và nguồn bức xạ mặt trời 8

1.3 Ứng dụng của năng lượng Mặt Trời 12

1.4 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động 12

1.5 Hệ thống pin mặt trời 17

Chương 2 18

TỔNG QUAN CÁC LOẠI ACQUY 18

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NẠP ACQUY 18

2.1 Mục định sử dụng acquy trong hệ thống pin mặt trời 18

2.2 Phân loại acquy và các tham số của chúng 18

2.2.1 Phân loại acquy 18

2.2.2 Kiểu acquy 18

2.2.3 Các tham số kỹ thuật của acquy 19

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại acquy 22

2.3.1 Acquy axít 22

2.3.2 Acquy kiềm 29

2.3.3 Sự khác nhau giữa acquy kiềm và acquy axit 33

2.3.4 Các phương pháp nạp acquy 34

2.3.5 Tính chọn acquy cho hệ thống pin mặt trời 36

Chương 3 38

TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 38

VÀ CÁC IC NẠP ACQUY THÔNG MINH 38

3.1 Vi điều khiển PIC16F877A 38

3.1.1 Sơ đồ chân PIC16F877A 38

3.1.2 Một vài thông số của vi điều khiển PIC16F877A 38

3.1.3 Sơ đồ khối PIC16F877A 39

3.1.4 Tổ chức bộ nhớ 40

3.1.5 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A 40

3.1.6 Các bộ định thời 42

3.1.7 ADC 46

3.1.8 Bộ tạo dao động OSCILLATOR 47

3.1.9 Các chế độ Reset 48

3.2 Một số IC nạp acquy thông minh 48

3.2.1 IC UC3906 48

3.2.2 IC BQ2031 55

Chương 4 62

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MẠCH NẠP ACQUY 62

CHO HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 62

4.1 Sơ đồ khối mạch nạp acquy cho hệ thống pin mặt trời 62

4.2 Khối nguồn 62

4.2 Khối điều khiển nạp acquy 63

4.2.1 Tính toán lựa chọn linh kiện 63

4.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nạp 64

4.3 Khối hiển thị điện áp và dòng nạp 65

4.4 Khối chỉ thị 66

4.5 Sơ đồ mạch in và mô hình mạch nạp 67

Chương 5 68

CHẠY THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT LUẬN 68

5.1 Chạy thử nghiệm 68

5.2 Lắp ráp đồng bộ hệ thống 71

5.3 Đánh giá kết quả đạt được 71

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng nội trở của acquy axit 20

Bảng 2.2: Chất liệu bản cực của các loại acquy 22

Bảng 2.3: Sự khác nhau giữu acquy kiềm và acquy axit 33

Bảng 3.1: Bảng đặc tính điện của IC UC3906 50

Bảng 3.2: Các kiểu mắc driver 55

Bảng 3.3: Lựa chọn kiểu hiển thị trạng thái nạp 57

Bảng 3.4: Lựa chọn kiểu nạp 58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc của Mặt Trời 9

Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ 10

Hình 1.3: Nhà máy điện mặt trời 12

Hình 1.4: Một cell pin mặt trời 13

Hình 1.5: Cấu tạo pin mặt trời 13

Hình 1.6: Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời 14

Hình 1.7: Một số loại panel pin mặt trời 15

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 16

Hình 1.9: Sơ đồ khối hệ thống pin năng lượng mặt trời 17

Hình 2.1: Cấu tạo acquy axit 22

Hình 2.2: Bản cực âm và dương của acquy 23

Hình 2.3: Cấu tạo bản cực acquy axit 23

Hình 2.4: Nhóm bản cực 24

Hình 2.5: Đặc tính phóng điện của acquy axit 26

Hình 2.6: Đặc tính nạp điện của acquy axit 27

Hình 2.7: Acquy kiềm 29

Hình 3.1: Sơ đồ chân PIC16F8XXA 38

Hình 3.2: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 39

Hình 3.3: Sơ đồ bộ nhớ chương trình 40

Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC 46

Hình 3.5: Mạch reset bằng pin MCLR 48

Hình 3.6: Sơ đồ chân IC UC3906 49

Hình 3.7: Sơ đồ khối IC UC3906 50

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý kiểu Dual Level Float Charger 51

Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn các trạng thái nạp và các công thức tính toán 52

Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn một chu kỳ nạp kiểu Dual Level Float Charger 52

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý kiểu Dual Step Current Charger 53

Hình 3.12: Sơ đồ các trạng thái và công thức tính 53

Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn một chu kỳ nạp 53

Hình 3.14: Sơ đồ chân IC bq2031 56

Hình 3.15: Đồ thị nạp kiểu hai bước điện áp 58

Hình 3.16: Đồ thị nạp kiểu hai bước dòng điện 58

Hình 3.17: Đồ thị nạp kiểu xung dòng điện 58

Hình 3.18: Mạch giám sát dòng áp 59

Hình 3.19: Điện áp tương ứng với ngưỡng nhiệt độ 60

Hình 3.20: Mạch giám sát nhiệt 60

Hình 3.21: Mạch xác định thời gian nạp 61

Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch nạp acquy 62

Hình 4.2: Sơ đồ khối nguồn 62

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nạp 64

Hình 4.4: Mạch hiển thị điện áp và dòng nạp 65

Hình 4.5: Lưu đồ thuật toán cho khối hiển thị dòng áp 65

Hình 4.6: Mạch chỉ thị 66

Hình 4.7: Trạng thái các đèn báo trong một chu kỳ nạp 66

Hình 4.8: Sơ đồ mạch in 67

Hình 4.9: Mô hình mạch nạp 67

Hình 5.1: Chọn dòng nạp thích hợp 68

Hình 5.2: Khi điện áp acquy nhở hơn 10.5V 68

Hình 5.3: Khi điện áp acquy lớn hơn 10.5V 69

Hình 5.4: Khi không có acquy kết nối với bộ nạp 69

Hình 5.5: Dòng nạp đạt đến giá trị max đã chọn 69

Hình 5.6: Nạp quá ngưỡng 70

Hình 5.7: Nạp bảo trì 70

Hình 5.8: Phần công suất của hệ thống 71

Hình 5.9: Mô hình hệ thống pin mặt trời 71

MỞ ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dữ trữ như than, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất

là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó

là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch, miễn phí và có thể coi là vô hạn

Việt Nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào, với số giờ nắng trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có thể đến 980W/m2 Do vậy chúng ta cần phải tập trung nghiên cứu, khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả để phục vụ cho sự phát triển của kinh tế và khoa học kỹ thuật Tuy nhiên hiện tại giá thành của hệ thống pin năng lượng mặt trời còn khá cao, nhưng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và kinh tế xã hội thì trong tương lai không xa giá thành của nó sẽ giảm và ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống

Qua quá trình tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời, em nhận thấy hệ thống này bao gồm các thành phần chính sau: các tấm pin mặt trời, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ điều khiển nạp và acquy, bộ chuyển đổi DC-AC Và trong khuôn khổ

đề tài, em sẽ đi sâu vào “nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp bộ nạp acquy thông minh dùng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời” Đây là một đề tài khá hay nó góp

phần làm tối ưu quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng trong hệ thống pin mặt trời Nội dung đồ án được trình bày trong 5 chương:

Chương 1: Ngiên cứu tổng quan về pin mặt trời và hệ thống pin mặt trời Chương 2: Tổng quan các loại acquy và các phương pháp nạp acquy

Chương 3: Tổng quan về vi điều khiển pic và các IC nạp acquy thông minh Chương 4: Thiết kế và xây dựng mạch nạp acquy cho hệ thống pin mặt trời Chương 5: Chạy thử nghiệm và đánh giá kết luận

Trong quá trình thực hiện đề tài, do vấn đề thời gian và kinh nghiệm nên đồ án còn có chỗ thiếu sót Em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn

Sinh viên

Tạ Văn Tiến

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI

VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

1.1 Lịch sử ra đời của pin quang điện và hệ thống pin năng lượng mặt trời

Nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel là người đầu tiên để ý thấy ánh sáng có thể làm cho các chất sinh ra điện vào năm 1839 Sau đó, các nhà khoa học khác đã bắt tay vào nghiên cứu các ràng buộc giữa ánh sáng, vật chất và điện năng Một người trong số họ là Albert Einstein Năm 1905, ông đã giải thích làm thế nào các nguyên tử hấp thu bức xạ điện từ (thí dụ như ánh sáng) rồi sau đó giải phóng các electron Quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện Einstein đã giành giải Nobel Vật lí năm 1921 cho công trình nghiên cứu về hiệu ứng này

Russell Ohl là người đầu tiên chế tạo các tế bào pin mặt trời giống như các tế bào được sử dụng ngày nay Ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey

Tế bào của ông chế tạo bằng Silic (Silic tìm thấy trong cát và nhiều loại đá) Ông gọi tế bào đó là “một dụng cụ điện nhạy sáng” Ông đã đăng kí một bằng phát minh cho nó vào năm 1941 5 năm sau, ông lấy được bằng phát minh Năm 1954, phòng thí nghiệm Bell chế tạo tế bào mặt trời thực tế đầu tiên Nó là tế bào đầu tiên sản xuất đủ điện năng để chạy các dụng cụ điện thông thường Tuy nhiên, các tế bào buổi đầu không sản xuất nhiều điện năng Đồng thời, chi phí sản xuất chúng rất đắt

đỏ Ứng dụng quan trọng đầu tiên của chúng là trong các vệ tinh vũ trụ Bắt đầu vào năm 1958, khi các tế bào trở nên rẻ tiền hơn, chúng mới được sử dụng trong những ứng dụng khác Nhà máy điện đầu tiên có khả năng sản xuất 1MW điện năng với các tấm pin mặt trời mở cửa ở Hesperia, California, năm 1982

1.2 Mặt trời và nguồn bức xạ mặt trời

Mặt Trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1390.103km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng M0 = 2.1030kg Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và

phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt Trời

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy

ra các phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng nay có bán kính khoảng 175000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 triệu đến 20 triệu độ K, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng

Hình 1.1: Cấu trúc của Mặt Trời

trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất vùng này gồm có Sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stronti (Sr), Crom (Cr), Niken (Ni), Cacbon (C), Silic (Si) và các khí như Hiđro (H2), Heli (He), chiều dày vùng này khoảng 400000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125000km và vùng

“quang cầu" có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K÷10000K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi

là “khí quyển” của mặt trời

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích

bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370W/m2 Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần

1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu

cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt Trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu sẽ đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời và biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ

là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm Mặt Trời đi ra cho sự va chạm hoặc tán

xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và sinh ra các bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ γ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt Mặt Trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử

và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ

Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1–10µm và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt Trời tập trung trong khoảng bước sóng 0.38÷ 0.78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực

xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái Đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái Đất Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3 đó là quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡcác liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấpthụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

1.3 Ứng dụng của năng lượng Mặt Trời

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Hình 1.3: Nhà máy điện mặt trời

1.4 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hình 1.4: Một cell pin mặt trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1% Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm

1958 Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…

1.4.1 Cấu tạo

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.5: Cấu tạo pin mặt trời

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất mắc tiền

do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn,

từ 8%÷11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất từ 3%÷6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại

vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 1.6: Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, 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 dùng đa tinh thể silicon

Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ học lượng

tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể 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 như là một silic 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 (phốt pho, 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

Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin mặt trời Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn

Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0.5 ampe ở 0.5 volt

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt,

vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Hình 1.7: Một số loại panel pin mặt trời

1.4.2 Nguyên lý hoạt động

Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (và do đó trên

bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n Với các bước sóng thích hợp

sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết Sẽ không thể có điều gì xảy ra nếu không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp Đó là lí do giải thích

vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do đó e sẽ bị kéo

về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ Với Si (B, P) thì giá trị này ở khoảng 0.6V

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.5 Hệ thống pin mặt trời

Hình 1.9: Sơ đồ khối hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hình 1.9 là sơ đồ khối một hệ thống pin mặt trời hoàn chỉnh và hệ thống có khả năng làm việc offline (điện từ pin nạp cho acquy, sau đó lấy điện từ acquy để đem đi nuôi các khối khác) hoặc làm việc online (điện từ các tấm pin được đưa trực tiếp vào để chuyển đổi DC-DC, DC-AC ) Hệ thống bao gồm:

- Các panel pin mặt trời được mắc song song và nối tiếp với nhau để làm tăng điện

áp và công suất đầu ra

- Khối điều khiển nạp Charger Control và acquy: Điều khiển điện áp và dòng nạp cho acquy để tích trữ năng lượng điện dưới dạng hóa năng

- Khối tạo ra các nguồn một chiều phụ 3.3V, 5V, 12V để nuôi các khối điều khiển, DC-DC, bảo vệ Protection

- Khối chuyển đổi điện áp DC-DC: Ổn định điện áp cấp cho khối DC-AC

- Khối DC-AC: Chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 220V/50Hz

- Khối bảo vệ Protection: Bảo vệ quá tải, ngắn mạch

- Khối cách ly Isolation: Cách ly khối điều khiển với các khối có điện áp cao

- Khối điều khiển: Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống

- Hệ thống giao diện giao tiếp với người dùng: Bao gồm các giao diện giao tiếp bằng RS232, RF, CAN, RS485

Chương 2 TỔNG QUAN CÁC LOẠI ACQUY

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NẠP ACQUY

2.1 Mục định sử dụng acquy trong hệ thống pin mặt trời

Làm nguồn dự trữ năng lượng (một chiều) để cung nguồn điện một chiều cho

hệ thống trong một khoảng thời gian (tùy thuộc vào dung lượng của acquy) khi nguồn điện từ pin mặt trời mất hoặc không ổn định Nhằm đảm bảo cho phụ tải hoạt động ổn định và kéo dài thời gian cung cấp điện của hệ thống cho các thiết bị điện

2.2 Phân loại acquy và các tham số của chúng

2.2.1 Phân loại acquy

Acquy là nguồn hoá hoạt động trên cơ sở hai điện cực có điện thế khác nhau,

nó cung cấp dòng điện một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong dân dụng

Khi acquy phóng hết dung lượng ta tiến hành nạp điện cho nó và sau đó acquy lại tiếp tục phóng điện được Acquy có thể hiện nhiều chu kỳ phóng nạp nên ta có thể sử dụng được lâu dài

Trong thực tế kĩ thuật có nhiều loại acquy nhưng phổ biến và thường dùng nhất là hai loại acquy: Acquy axit (acquy chì) và acquy kiềm Tuy nhiên trong thực

tế thông dụng nhất từ trước tới nay vẫn là acquy axit vì so với acquy kiềm thì acquy axit có một vài tính năng tốt hơn như:

+ Sức điện động cao (với acquy axit là 2V, acquy kiềm là 1.2V)

+ Trong quá trình phóng, sự sụt áp của acquy axit nhỏ hơn so với acquy kiềm + Giá thành của acquy axit rẻ hơn so với acquy kiềm

+ Điện trở trong của acquy axit nhỏ hơn so với ăcquy kiềm

Vì vậy trong đồ án này em chọn loại acquy axit để nghiện cứu công nghệ và thiết kế nguồn nạp acquy tự động

2.2.2 Kiểu acquy

Trong từng loại acquy, căn cứ vào ứng dụng và dung lượng khác nhau ta chia thành các kiểu sau

2.2.3 Các tham số kỹ thuật của acquy

2.2.3.1 Sức điện động E, đơn vị là Vôn

Sức điện động phụ thuộc vào bản chất của bản cực và dung dịch điện phân Tỷ trọng của dung dịch điện phân càng lớn thì sức điện động của acquy càng lớn (tuy nhiên tỷ trọng của dung dịch không được cao quá quy định)

Mỗi ngăn acquy kiềm có sức điện động trung bình là 1.25V, mỗi ngăn acquy axít có sức điện động trung bình là 2V Như vậy nếu điện áp ắc quy là 6V thì có 3 ngăn, nếu điện áp khoảng 12V thì phải có 6 ngăn đối với acquy axit

Với acquy axít sức điện động được tính bằng biểu thức:

trong đó: E - sức điện động tĩnh của acquy (V)

 - nồng độ dung dịch điện phân ở 15C (g/cm3)

Ngoài ra có một số thông số liên quan tới sức điện động, đó là điện áp Điện áp của acquy là hiệu điện thế giữa bản cực dương và bản cực âm trong trạng thái kín mạch ngoài khi acquy có tải

Sức điện động của acquy phụ thuộc vào tỷ trọng và nhiệt độ của dung dịch điện phân, còn điện áp của acquy phụ thuộc vào sức điện động, cường độ dòng điện phóng nạp phụ thuộc vào điện trở tải

Trong quá trình phóng điện, điện áp acquy nhỏ hơn sức điện động của nó một đại lượng bằng độ sụt áp trên nội trở acquy I0*R0

Trong quá trình nạp điện, điện áp acquy lớn hơn sức điện động của nó một đại lượng bằng độ sụt áp trên nội trở acquy I0*R0

2.2.3.2 Nội trở Ro, đơn vị là Ôm ()

Nội trở là điện trở trong của acquy, nó phụ thuộc vào tỷ trọng, bản cực lớn hay nhỏ, tính chất tấm cách điện, khoảng cách giữa hai bản cực…

Dung lượng càng lớn, nội trở càng nhỏ Nhiệt độ, tỷ trọng càng tăng nội trở càng nhỏ vì vậy nên khi nạp điện nội trở giảm theo tỷ trọng và nhiệt độ tăng Khi phóng điện nội trở tăng vì tỷ trọng và nhiệt độ giảm

- Mỗi ngăn acquy kiềm có R0 = 0.05÷1

- Mỗi ngăn acquy axít có R0 = 0.001÷0.0015 khi nạp đầy và R0 = 0.02 khi phóng điện đến điện áp ngừng phóng điện của acquy

Dưới đây là nội trở của một số bình acquy axít có dung lượng khác nhau:

Bảng 2.1: Bảng nội trở của acquy axit

2.2.3.3 Dung lượng

Dung lượng là khả năng tích luỹ năng lượng của acquy, ký hiệu là C đơn vị đo

là Ah Có hai loại dung lượng:

- Dung lượng lý thuyết là là lượng điện năng mà acquy phóng điện cho tới khi điện

áp bằng không

- Dung lƣợng sử dụng là lƣợng điện năng mà acquy phóng điện cho tới điện áp ngừng phóng điện quy định Dung lƣợng sử dụng gọi là dung lƣợng định mức của acquy

Khi acquy phóng với dòng điện cố định thì dung lƣợng bằng tích số của dòng điện phóng và thời gian phóng:

- Tổn hao một phần điện năng vì dò điện và phóng điện nội bộ

- Khi nạp điện acquy có nội trở nên tiêu hao hết một phần năng lƣợng

Hiệu suất của acquy là tỷ số giữa toàn bộ điện năng phóng và toàn bộ điện năng nạp Có 2 loại hiệu suất:

- Hiệu suất dung lƣợng (hiệu suất Ampe-giờ):

acquy axit có  =75÷80%, acquy kiềm có  =50÷60%

- Hiệu suất điện năng (hiệu suất oát):

Uftb - điện áp phóng trung bình

In - dòng điện nạp

tn - thời gian nạp

Untb - điện áp nạp trung bình

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại acquy

Thông thường có 2 loại acquy được sử dụng phổ biến trong thực tế là acquy axit và acquy kiềm có bản cực được làm bằng các kim loại và hợp kim sau:

Bảng 2.2: Chất liệu bản cực của các loại acquy

2.3.1.1 Cấu tạo acquy axit

Hình 2.1: Cấu tạo acquy axit

mức và chất liệu làm bản cực, bề dầy tấm bản cực dương của acquy thường từ 1.2 đến 1.5mm, bản cực âm thường mỏng hơn 0.20.3mm

Hình 2.2: Bản cực âm và dương của acquy

* Khung xương:

Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì và có pha thêm 58% Ăng-ti-mon (Sb) và tạo hình mắt lưới Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc (90÷92% là chì nguyên chất, 5÷8% là Ăng-ti-mon để tăng độ cứng)

* Nhóm bản cực:

Để tăng dung lượng và giảm nội trở trong một bình acquy thường chia các bản cực thành nhiều tấm bản cực dương và âm xen kẽ với nhau, gọi là nhóm bản

cực dương và nhóm bản cực âm

Hình 2.4: Nhóm bản cực

Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi acquy đơn được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực âm

Trong phản ứng hoá học nếu chỉ một bên lá cực dương tham ra thì các lá cực mau bị hỏng, vì vậy các lá cực dương bao giờ cũng được đặt giữa các lá cực âm cho nên số bản cực âm trong acquy thường nhiều hơn số bản cực âm một bản

* Tấm ngăn:

Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo, gỗ hoặc cao su bề dầy 0.81.2mm và có dạng lượn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các

lỗ cho phéo dung dịch điện phân thông qua

* Dung dịch điện phân:

Dung dịch là một hỗn hợp của axit sunfuric (H2SO4) với nước (H2O) Dung dịch phản ứng hóa học với chất tác dụng trên bản cực sinh ra điện áp

2.3.1.2 Quá trình biến đổi năng lượng trong acquy axit

Acquy là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch, nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình acquy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình acquy

dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện

Ký hiệu hoá học biểu diễn acquy axit có dung dịch điện phân là axit H2SO4nồng độ d  1.11.3% bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO2 có dạng:

(-) PbPb SO4H2SO4(d  30%)Pb SO4  PbO2Pb (+) (2.6) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của acquy axit:

- Tại bản cực dương diễn ra quá trình ôxi hoá:

Nhược điểm chính của acquy chì là dung lượng điện quy về đơn vị khối lượng

nhỏ, thời gian sử dụng không dài do sự sunfát hoá dần các điện cực (sự chuyển hoá

không hoàn toàn của PbSO4 thành Pb và PbO2 trong quá trình tích điện)

Ngoài phản ứng của quá trình phóng điện và tích điện ở trên còn có những

phản ứng phụ do sự tự phóng điện của acquy gây ra

- Tại bản cực dương diễn ra quá trình ôxi hoá:

2.3.1.3 Các đặc tính cơ bản của acquy axit

Sức điện động của acquy chì và acquy axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch

điện phân Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm (2.1):

E0 0.85 + (V) Trong quá trình phóng điện sức điện động của acquy được tính theo công thức:

Ep Up + Ip.rb (2.12) trong đó: Ep - sức điện động của acquy khi phóng điện (V)

Ip - dòng điện phóng (A)

Up - điện áp đo trên các cực của acquy khi phóng điện (V)

rb - điện trở trong của acquy khi phóng điện ()

Trong quá trình nạp sức điện động En của acquy được tính theo công thức:

trong đó: En - sức điện động của acquy khi nạp điện (V)

In - dòng điện nạp (A)

Un - điện áp đo trên các cực của acquy khi nạp điện (V)

rb - điện trở trong của acquy khi nạp điện ()

Dung lƣợng phóng của acquy là đại lƣợng đánh giá khả năng cung cấp năng lƣợng của acquy cho phụ tải, và đƣợc tính theo công thức:

trong đó: Cp - dung lƣợng thu đƣợc trong quá trình phóng (Ah)

Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện (A)

tp - thời gian phóng điện (h)

Dung lƣợng nạp của ắc acquy đại lƣợng đánh giá khả năng tích trữ năng lƣợng của acquy và đƣợc tính theo công thức:

trong đó: Cn - dung lƣợng thu đƣợc trong quá trình nạp (Ah)

In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn (A)

* Đặc tính phóng của acquy axit:

Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi

Hình 2.5: Đặc tính phóng điện của acquy axit

Từ đặc tính phóng của acquy nhƣ trên hình vẽ ta có nhận xét sau:

Trong khoảng thời gian phóng từ tp  0 đến tp  tgh, sức điện động điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian

phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của acquy (dòng điện phóng)

Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột Nếu ta tiếp tục cho acquy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của acquy sẽ giảm rất nhanh Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan (biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho acquy sau này Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của acquy, các giá trị Ep,

Up,  tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của acquy không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%

Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào đó, các giá trị sức điện động, điện áp của acquy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của acquy Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của acquy (dòng điện phóng và thời gian phóng)

* Đặc tính nạp của acquy axit:

Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi

Hình 2.6: Đặc tính nạp điện của acquy axit

Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau:

- Trong khoảng thời gian đầu, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng nhanh từ 1.8V lên 2V Từ 2V tăng rất chậm tới 2.4V Có thể giải thích hiện tượng này như sau: Khi nạp thời kỳ đầu tiên điện áp tăng nhanh vì bản cực khôi phục lại thành chì ôxít PbO2 và Pb trong các lỗ nhỏ, axit không kịp khuyếch tán nên

điện áp tăng cao đồng thời sụt áp trên nội trở của acquy lớn nên điện áp tăng càng nhanh

- Đến thời kỳ giữa vì nồng độ axit trong các lỗ nhỏ của bản cực có tăng nhưng khuyếch tán đều nên điện áp tăng dần dần

- Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng "sôi") do một phần nước trong dung dịch điện phân đã biến thành hiđro và ôxy, ở cực âm lúc này bọt khí thoát ra nhiều không kịp tụ thành bọt và nổi lên mặt nước cho nên bao bọc xung quanh cực âm Hiđrô là chất dẫn điện kém nên nội trở tăng, đồng thời cực dương bị ôxy bao bọc, bản cực bị ôxi hoá quá mức nên điện áp thời kỳ này tăng nhanh lên 2.7V và giữ nguyên Thời gian này gọi là thời gian nạp

no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của acquy

- Trong sử dụng thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 23h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Như vậy dung lượng thu được khi acquy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no acquy

- Đến thời điểm 12h (với nạp ổn dòng) thì chất tác dụng đã hoàn toàn được phục hồi lại, nước cũng gần như bão hoà nên dung dịch sôi và điện áp hầu như không tăng

- Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của acquy sau khi nạp

- Nạp thông thường:

Nạp điện thường cho acquy axit trong các trường hợp sau:

+ Khi điện áp trong acquy còn 1.7÷1.8V

+ Khi acquy để dự trữ trong kho quá một tháng

+ Khi acquy phóng điện liên tục quá một tuần

Cách nạp: Muốn nạp được thì phải có dòng điện chạy qua acquy bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn cao hơn điện áp của nhóm acquy ít nhất từ 1÷2V Nếu không đảm bảo điều kiện này thì đóng cầu dao nạp, nguồn nạp sẽ trở thành phụ tải của acquy gây ra cháy máy

+ Dòng điện nạp định mức 1/10 dung lượng định mức

+ Thời gian nạp từ 12÷13 giờ

+ Rót từ từ dung dịch điện phân đã pha có tỷ trọng đúng quy định vào bình Nhiệt

độ dung dịch khi đổ vào phải nhỏ hơn 250C Dung dịch phải cao hơn bản cực 1÷15

cm và chờ 4÷6 h cho dung dịch ngấm đều vào bản cực và tấm cách điện

+ Khi nhiệt độ dung dịch dưới 300

C có thể tiến hành nạp được

+ Dòng điện nạp tốt nhất theo quy định của nhà chế tạo trong trường hợp không có quy định thì nạp với dòng In = 1/14C10 (dung lượng phóng mức 10 giờ) hoặc 1/12C10 với acquy có dung lượng >70 Ah Nạp điện liên tục trong 60÷70 h cho tới

khi đầy điện

+ Cho nghỉ 15÷24h cho acquy nguội và điện áp giảm xuống ổn định ở mức 2.1÷2.3V rồi cho phóng với Ip =0.1C10 đến điện áp ngừng phóng là 1.7÷1.8 V + Nạp lại chu kỳ phóng nạp này 3 lần là được

Vỏ acquy cađimi-kền bao giờ cũng được làm từ sắt mạ kền mặc dù vỏ được nối với cực âm hoặc cực dương

Để tăng dung lượng và giảm nội trở của acquy cần tăng diện tích tiếp xúc của bản cực với dung dịch bằng cách đặt bản cực dương, âm xen kẽ với nhau thành nhóm bản cực, giữa các bản cực dương và âm được ngăn cách bằng tấm nhựa hoá học

* Dung dịch điện phân:

Dung dịch điện phân của acquy kiềm gồm có NaOH hoặc KOH pha với nước cất Tuỳ theo nhiệt độ môi trường mà dùng một trong hai loại trên cho phù hợp:

- Khi nhiệt độ môi trường lớn hơn 10C thì dùng NaOH

- Khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn 10C thì dùng KOH

Với nước ta hầu hết các vùng đều có nhiệt độ trung bình trên 10C nên ta dùng NaOH là thích hợp

2.3.2.2 Quá trình biến đổi năng lượng trong acquy kiềm

Ký hiệu hoá học biểu diễn acquy kiềm có dung dich điện phân là KOH nồng

độ d  20% Acquy kiềm phổ biến nhất là acquy NiKen-Cađimi có sơ đồ:

(-) CdCd(OH)2│KOH│NiOOH│Ni(OH)2│Ni (+) (2.16) Tại cực dương Ni ở 2 mức ô xi hoá II và III, kim loại Ni chỉ làm nhiện vụ thu nạp dòng điện:

phóng

napNiOOH e H ONi(OH) OH (2.17)

Tại cực âm:

phóng

2

Cd2OHCd(OH) 2e (2.18)

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của acquy kiềm:

Nhận xét: Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong quả trình

phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi Khi acquy phóng điện nồng độ

dung dịch điện phân giảm dần Khi acquy nạp điện nồng độ dung dịch điện phân

tăng dần Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng

thái tích điện của acquy

2.3.2.3 Các đặc tính cơ bản của acquy kiềm

- Nạp thông thường:

Các trường hợp sau đây phải tiến hành nạp điện thông thường cho acquy:

+ Khi acquy đã phóng hết dung lượng sử dụng, điện áp một ngăn còn 1V

+ Acquy phóng chưa hết dung lượng sử dụng nhưng thời gian phóng điện liên tục

quá một tuần

+ Acquy dự trữ trong kho quá một tháng

Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện

động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng

điện nạp không thay đổi có dạng tương tự như của acquy axit

Muốn nạp được thì phải có dòng điện chạy qua acquy bằng cách điều chỉnh

điện áp nguồn cao hơn điện áp của nhóm acquy ít nhất từ 1÷2V nếu không đảm bảo

điều kiện này thì đóng cầu dao nạp, nguồn nạp sẽ trở thành phụ tải của acquy gây ra

cháy máy

+ Dòng điện nạp tiêu chuẩn là 0.15…0.25 x dung lượng định mức

+ Thời gian nạp từ 6÷7 giờ

+ Trong quá trình nạp phải thường xuyên theo dõi nhiệt độ của dung dịch acquy

Nếu nhiệt độ của dung dịch lớn hơn 45C (Với dung dịch có pha thêm LiOH) và

lớn hơn 35C(với dung dịch không pha thêm LiOH) thì phải giảm dòng nạp Nếu

giảm dòng nạp rồi mà nhiệt độ dung dịch vẫn tăng quá giới hạn trên thì phải tạm

thời ngừng nạp cho tới khi nhiệt độ trở về mức từ 15÷30C lại tiếp tục nạp

* Chú ý là phải nạp liên tục nếu vì một lý do nào đó mà phải tạm thời ngưng

nạp thì phải tăng thời gian nạp để đảm bảo đựơc từ 6÷7h

+ Trong khoảng thời gian đầu thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng nhanh từ 1.1 lên 1.4V Từ 1.4V tăng rất chậm tới 1.5V và giữ ở đó trong một khoảng thời gian dài Cuối quá trình nạp điện áp tăng đến khoảng 1.6V và giữ ở

đó cho tới khi nạp xong

+ Trong sử dụng thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 23h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Như vậy dung lượng thu được khi acquy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no acquy

+ Đến thời điểm 12h thì chất tác dụng đã hoàn toàn được phục hồi lại, nước cũng gần như bão hoà nên dung dịch sôi và điện áp hầu như không tăng

+ Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của acquy sau khi nạp

Những dấu hiệu cho thấy acquy đã đầy điện:

+ Hiện tượng sủi tăm đều như sôi

+ Hiệu điện thế đạt 1.6V và ổn định trong suốt 3h

+ Trước khi nạp phải mở hết nút acquy, sau khi nạp phải để từ 5÷10 h cho acquy nguội mới đạy nút và lau chùi quanh vỏ bình cho sạch sẽ

Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của acquy Dòng điện nạp định mức đối với acquy là In  0.25C10

* Chú ý, trong đó C10 là dung lượng của acquy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In  0.25C10 thì sau 6÷7 giờ acquy sẽ đầy

- Nạp quá lượng:

Nạp quá lượng để đảm bảo cho acquy được đầy khi bị sun fát hoá ở các bản cực, phục hồi được dung lượng cho acquy

Nạp điện quá lượng trong các trường hợp sau:

+ Thay dung dịch điện phân

+ Acquy được dùng thường xuyên phóng, nạp từ 10÷12 lần

+ Acquy không được nạp điện thường xuyên

+ Trước khi đem sử dụng acquy đang được bảo quản trong kho

Nạp với dòng tiêu chuẩn 0.25C10 trong vòng 6h Nạp thêm 6h nữa với dòng

0.1C10 là đạt yêu cầu Với acquy kiềm trong trường hợp cần thiết có thể nạp điện

nhanh

- Nạp điện nhanh:

Nạp điện nhanh là nạp với dòng tương đối lớn trong thời gian ngắn

- Nạp lần đầu:

Với acquy kiềm mới còn khô hay sau khi thay bản cực mới trước khi sử dụng

phải tiến hành nạp điện cho acquy Nạp lần đầu mấu chốt quyết định đến tuổi thọ và

hiệu suất của acquy vì vậy cần được coi trọng và chuẩn bị để nạp điện lần đầu cho

tốt

Nạp điện lần đầu được tiến hành như sau:

+ Rót từ từ dung dịch điện phân đã pha có tỷ trọng đúng quy định vào bình Nhiệt

độ dung dịch khi đổ vào phải nhỏ hơn 25C Dung dịch phải cao hơn bản cực

1÷1.5cm và chờ 4÷6 h cho dung dịch ngấm đều vào bản cực và tấm cách điện Đo

mỗi ngăn có điện áp từ 1÷1.1V là acquy bình thường và có thể tiến hành nạp được

+ Dòng điện nạp tốt nhất theo quy định của nhà chế tạo trong trường hợp không có

quy định thì nạp với dòng In = 1/4C10 liên tục trong 6h Sau đó nạp tiếp với dòng

In=1/8C10 trong 6h nữa

+ Cho phóng điện trong 4h với dòng điện Ip=1/8C10

+ Nạp lại chu kỳ phóng nạp này 2÷3 lần là được

+ Chú ý khi acquy no thì điện áp trên mỗi ngăn phải đạt 1.6V

2.3.3 Sự khác nhau giữa acquy kiềm và acquy axit

Cả hai loại acquy này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại

dung kháng và sức phản điện động Nhưng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt

sau:

Bảng 2.3: Sự khác nhau giữu acquy kiềm và acquy axit

- Khả năng quá tải không cao, dòng nạp

lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax 

0.2C10

- Hiện tượng tự phóng lớn, acquy nhanh

hết điện ngay cả khi không sử dụng

- Sử dụng rộng rãi trong đời sống công

nghiệp, ở những nơi có nhiệt độ cao va

- Khả năng quá tải rất lớn dòng điện nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới 0.5C10

- Hiện tượng tự phóng nhỏ

- Với những khả năng trên thì acquy kiềm thường sử với các thiết bị công

đập lớn nhưng đòi hỏi công suất và quá tải

vừa phải

- Dùng trong xe máy, ôtô, các động cơ

máy nổ công suất vừa và nhỏ

- Giá thành thấp

suất lớn và quá tải thường xuyên

- Dùng trong công nghiệp hàng không, hàng hải và những nơi nhiệt

độ môi trường thấp

- Giá thành cao

2.3.4 Các phương pháp nạp acquy

Có ba phương pháp nạp acquy là:

+ Phương pháp dòng điện không đổi

+ Phương pháp điện áp không đổi

+ Phương pháp dòng áp không đổi

2.3.4.1 Phương pháp nạp acquy với dòng điện không đổi

Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại

acquy, bảo đảm cho acquy được no Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng

bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho acquy hoặc nạp sử chữa cho các acquy bị

Sunfat hoá Với phương pháp này acquy được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn

điều kiện:

trong đó: Un - điện áp nạp

Naq - số ngăn acquy đơn mắc trong mạch

Trong quá trình nạp sức điện động của acquy tăng dần lên, để duy trì dòng

điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R Trị số giới hạn của biến

Đảm bảo dòng điện nạp cho acquy luôn ổn định, chất lượng nạp tốt, đảm bảo

dung lượng acquy là định mức, không gây ra hiện tượng no giả

Không gây ra quá dòng khi bắt đầu nạp nếu hiệu điện thế acquy thấp hơn

nhiều so với hiệu điện thế nạp đặt vào sẽ phá hỏng acquy, làm cho acquy trở nên

kém bền

* Nhược điểm:

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi làm thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các acquy đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp

ở nấc thứ nhất chọn bằng (0.30.6)C10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi acquy bắt đầu sôi Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0.1C10

2.3.4.2 Phương pháp nạp với điện áp không đổi

Phương pháp này yêu cầu các acquy được mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2.32.5)V cho mỗi ngăn đơn Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này acquy không được nạp no Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho acquy trong quá trình sử dụng

* Ưu điểm:

Hệ nạp đơn giản, có khả năng tự động giảm dòng nạp theo thời gian để tránh làm cho acquy bị sủi bọt, cháy nổ khi đầy

* Nhược điểm:

Nếu nguồn nạp bị mất điện lâu, trong khi acquy vẫn tiếp tục được sử dụng Khi

có điện trở lại độ chênh áp giữa nguồn cấp và acquy lớn dẫn đến dòng điện nạp lớn, phá hỏng acquy, gây ra hiện tượng no giả làm giảm dung lượng

2.3.4.3 Phương pháp nạp dòng áp

Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên Nó tận dụng được

những ưu điểm của mỗi phương pháp

Đối với yêu cầu của đề bài là nạp acquy tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp acquy là phương pháp dòng áp

- Đối với acquy axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoản thời gian tn8h tương ứng với 7580% dung lượng acquy ta nạp với dòng điện không đổi là In0.1C10 Vì theo đặc tính nạp của acquy trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm

tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp Sau thời gian 8h acquy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp Khi thời gian nạp được 10h thì acquy bắt đầu no,

ta nạp bổ xung thêm 23h

- Đối với acquy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như acquy axit nhưng do khả năng quá tải của acquy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In0.25C10hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In0.5C10

Các quá trình nạp acquy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn

áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của acquy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không

* Kết luận:

- Vì acquy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi acquy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong acquy sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi acquy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng

Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho acquy

- Khi dung lượng của acquy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì acquy sẽ sôi và làm cạn nước Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp acquy sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi acquy đã thực sự no Khi điện áp trên các bản cực cuẩ acquy bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp

- Tuỳ theo loại acquy mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau:

+ Aacquy axit: dòng nạp In 0.1C10;

nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In 0.2C10

+ Aacquy kiềm: dòng nạp In 0.25C10;

nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In 0.5C10

2.3.5 Tính chọn acquy cho hệ thống pin mặt trời

Muốn tính chọn được acquy cho hệ thống ta phải làm như sau:

* Tổng công suất các thiết bị sử dụng điện

* Lựa chọn công suất của mạch kích (inverter), công suất pin mặt trời

* Xác định thời gian sử dụng điện của các thiết bị điện

* Tính chọn acquy và mạch nạp phù hợp:

Ta áp dụng một trong hai công thức sau để tính chọn:

AH = (T * W)/(V * pf) (2.22)

trong đó: Tổng công suất tiêu thụ trong hệ thống (W)

Điện thế của bình acquy (V)

Dung lượng của bình acquy (Ah)

Thời gian cần có điện của hệ thống (T)

Hệ số năng suất của bộ kích điện (pf): thường là 0.7 hoặc 0.8

- Công thức (2.22) để tính tổng dung lượng của ắc quy (Ah) nếu xác định trước thời gian sử dụng hệ thống T, tổng công suất của Inverter W, điện thế của bộ nạp V,

pf=0.7 hoặc 0.8 tuỳ vào từng loại Inverter

- Công thức (2.23) để tính thời gian hoạt động T của hệ thống nếu biết tổng dung lượng của ắc quy Ah, tổng công suất của Inverter W, điện thế của bộ nạp V, pf = 0.7 hoặc 0.8 tuỳ vào từng loại Inverter

Ví dụ: Lựa chọn bộ kích điện và ắc quy để chay 2 quạt cây, 2 bóng đèn neon 1m20,

1 bộ máy tính, 1 màn hình máy tính LCD 15", 1 modem cho 1 văn phòng dùng khi mất điện mỗi tuần 1 ngày

Bước 1: Công suất thực tế = (2*60) + (2*40) + 200 + 35 + 10 = 445W

Bước 2: W = 445*1.5 = 667.5W cần chọn công suất kích điện khoảng 700W,

vì vậy nên chọn loại kích điện 1000VA, 24V là phù hợp

Bước 3: Theo nhu cầu, thời gian sử dụng trong 1ngày nhưng nên tính toán hợp

lý để nhân viên văn phòng làm khoảng T = 6h cho ngày mất điện (nghỉ trưa dài hơn, chiều về sớm hơn 1 chút)

Bước 4: Dung lượng ắc quy tính theo công thức (1) là:

- Theo công suất thực tế: AH = (6*445)/(24 *0.7) = 158Ah Vậy ta cần mua ít nhất

2 ắc quy 150Ah/12V là đảm bảo yêu cầu

- Theo công suất đỉnh: AH = (6*700)/(24*0.7) = 250Ah Vậy ta cần mua ít nhất 2

ắc quy 250Ah/12V là đảm bảo yêu cầu

-> Vậy lựa chọn mua ắc quy thế nào cho phù hợp? Nếu sử dụng đúng công suất thực tế của thiết bị và chắc chắn dùng dưới 6h/ngày thì chỉ cần 2 ắc quy 150Ah, còn nếu muốn dùng phát sinh thêm vài thiết bị nữa thì nên chọn 2 ắc quy loại 250Ah để đảm bảo không bị quá tải

Chương 3 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC

VÀ CÁC IC NẠP ACQUY THÔNG MINH

Tập đoàn Texas Instruments (Mỹ) là tập đoàn hàng đầu thế giới về thiết kế bộ nhớ máy tính và sản xuất thiết bị bán dẫn silicon Trong lịch sử 79 năm hoạt động của mình tập đoàn đã sản xuất ra nhiều loại linh kiện bán dẫn phục vụ cho nghiên cứu khoa học và đời sống xã hội của con người Trong đó có các IC nạp acquy thông minh như UC3906, UC3909, bq2031

Và trong đề tài này em sẽ đi sâu vào nghiên cứu và thiết kế một mô hình mạch nạp thông minh cho acquy 12V bằng IC UC3906 Bên cạnh đó bộ nạp còn có mạch hiển thị điện áp, dòng nạp số sử dụng vi điều khiển PIC16F877A của hãng Microchip và LCD 16x2, mạch chỉ thị: báo nạp, báo đầy bằng LED rất trực quan Giúp người dùng dễ nhận biết và sử dụng sản phẩm Đó là những ưu điểm đặc trưng

của bộ nạp acquy thông minh này

3.1 Vi điều khiển PIC16F877A

3.1.1 Sơ đồ chân PIC16F877A

Hình 3.1: Sơ đồ chân PIC16F8XXA

3.1.2 Một vài thông số của vi điều khiển PIC16F877A

Cấu trúc tổng quát PIC16F877A gồm:

- 2 bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2

- 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài

- 2 bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ/So sánh/Điều Biến xung

- 1 bộ biến đổi tương tự - số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự (Comparator)

- 1 bộ định thời giám sát (WDT - Watch Dog Timer)

- 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển

- 1 cổng nối tiếp (Serial Port)

- 15 nguồn ngắt (Interrupt)

- Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSPTM (In-Circuit Serial Programing)

- Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS

- 35 tập lệnh có độ dài 14 bit

- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz

3.1.3 Sơ đồ khối PIC16F877A

Hình 3.2: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A