thiết kế bộ điều khiển bám dàn pin theo hướng ánh sáng mặt trời theothời gian thực

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Nhu cầu lượng người thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày tăng Trong nhiên liệu dự trữ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên thủy điện có hạn nên nhân loại đứng trước nguy thiếu hụt lượng Việc tìm kiếm khai thác nguồn nhiên liệu hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió, lượng mặt trời hướng quan trọng kế hoạch phát triển lượng Việc nghiên cứu sử dụng lượng mặt trời ngày quan tâm tình trạng thiếu hụt lượng vấn đề cấp bách môi trường nay, nguồn lượng sạch, thân thiện với môi trường trữ lượng gần vô tận Do vây lượng mặt trời ngày sử dụng rộng dãi nhiều nước giới Là nước nằm khu vực nhiệt đới gió mùa hàng năm nước ta nhận lượng xạ mặt trời lớn, cường độ ánh sáng mặt trời trung bình cao việt nam có nhiều lợi cho việc phát triển công nghệ nhiên điều kiện kinh tế nước ta chưa phát triển nên công nghệ mẻ chưa thực phát triển mạnh nước ta để góp phần nhỏ bé vào việc phát triển phổ biến công nghệ Việt Nam chúng em nghiên cứu thực đề tài“ thiết kế chế tạo điều khiển định hướng pin lượng mặt trời ” Là đề tài nghiên cứu mảng nhỏ hệ thống pin mặt trời phần nâng cao hiệu suất hoạt động pin lượng mặt trời Đồ án gồm phần Phần mô : mô đặc tuyến pin mặt trời Matlab/Simuilk gồm có: vẽ đăci tuyến volt-ampe pin mặt trời, khỏa sát thay đổi nhiệt độ cường độ ánh sáng tới đặc tuyến pin Phần thi công:, thiết kế điều khiển bám dàn pin theo hướng ánh sáng mặt trời theo thời gian thực Page CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ PIN NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI 1.1 Pin mặt trời, cấu tạo nguyên lý hoạt động Pin lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diod p-n, duới diện ánh sáng mặt trời có khả tạo dòng điện sử dụng Hình 1.1 cell pin mặt trời 1.1.1 Cấu tạo pin mặt trời Hình 1.2: cấu tạo pin mặt trời Cấu tạo pin mặt trời lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện bên Cho tới vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho thiết bị bán dẫn) silic tinh thể Khi để trực tiếp ánh sáng mặt trời, pin silic có đường kính cm sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe 0,5 volt Page Các tinh thể mỏng hình đĩa, đánh bóng để loại bỏ khuyết tật trình cắt, chất kích thích dùng cho pin, kim loại dẫn truyền đặt vào mặt: lưới mỏng bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, mặt phẳng mặt lại Tấm lượng mặt trời tạo thành từ pin cắt theo hình dạng thích hợp, bảo vệ khỏi tia xạ hư hại mặt trước miếng gương, dán vào chất Sự liền mạch tạo nên thành dãy song song để định lượng tạo Chất keo chất phải có tính dẫn nhiệt, pin làm nóng hấp thụ lượng hồng ngoại, vốn chuyển hóa thành lượng Một pin bị làm nóng giảm hiệu suất hoạt động nên phải làm giảm thiểu nhiệt 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Hình 1.4 sơ đồ hai mức lượng Page Bình thường điện tử chiếm mức lượng thấp E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang lượng hv (h số Plank v tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ chuyển lên mức E2 Phương trình cân lượng: hv = E1-E2 (1.3) Trong vật rắn ,do tương tác mạnh mạng tinh thể lên điện tử vành nên lượng bị tách nhiều mức lượng sát tạo thành vùng lượng Vùng lượng thấp bị điện tử chiếm đầy trạng thái cân gọi vùng hoá trị mà bên có lượng E V Vùng lượng phía tiếp hoàn toàn trống bị chiếm phần gọi vùng dẫn, bên vùng có lượng EC, cách ly vùng hóa trị vùng dẫn gọi vùng cấm có độ rộng lượng Eg, mức lượng cho phép điện tử Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng lượng nói trên, photon có lượng hv tới hệ thống , bị điện tử vùng hoá trị hấp thụ chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự e-,lúc vùng hoá trị có lỗ trống di chuyển “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống di chuyển tham gia vào trình dẫn điện Phương trình hiệu ứng lượng tử: eV+hv→ e- + h+ Điều kiện để điện tử hấp thụ lượng photon chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo căp điện tử –lỗ trống là: hv > Eg = EC - EV Suy bước sóng tới hạn λC ánh sáng để tạo cặp e- - h+ là: λC = hc/( EC – EV) Vậy chiếu sáng vào vật rắn, điện tử vùng hoá trị hấp thụ lượng photon hv chuyển lên vùng dẫn tạo cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e h+, tức tạo điện Hiện tượng gọi tượng quang điện bên Page Nguyên lý hoạt động pin mặt trời tượng quang điện xảy lớp tiếp xúc p-n Hình 1.6 Các vùng lượng Khi photon chạm vào mảnh SILIC xảy mooti hai tượng sau Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều thường xảy lượng photon thấp lượng đủ để đưa hạt electron lên mức lượng cao Năng lượng photon hấp thụ silic Điều thường xảy lượng photon lớn lượng để đưa electron lên mức lượng cao Khi photon hấp thụ, lượng truyền đến hạt electron màng tinh thể Thông thường electron lớp cùng, thường kết dính với nguyên tử lân cận di chuyển xa Khi electron kích thích, trở thành dẫn điện, electron tự di chuyển bán dẫn Khi nguyên tử thiếu electron gọi lỗ trống Lỗ trống tạo điều kiện cho electron nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, điều tạo lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn Một photon cần có lượng lớn luợng đủ để kích thích electron lớp dẫn điện Tuy nhiên, tần số mặt trời thường tương đương 6000°K, nên phần lớn lượng mặt trời hấp thụ silic Tuy nhiên hầu hếtnăng 1.2 xây dựng mô hình pin mặt trời Có thể thấy chiếu sáng, ta nối bán dẫn p n tiếp xúc p-n dây dẫn, pin Mặt Trời phát dòng quang điện Iph Vì vậytrước hết pin mặt trời xem nguồn dòng Page Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương diode Tuy nhiên, phân cực ngược, điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên có dòng điện gọi dòng rò qua Đặt trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở shunt R sh Dòng quang điện chạy mạch phải qua lớp bán dẫn p n, điện cực, tiếp xúc,…Đặt trưng cho tổng điện trở lớp điện trở RS nối tiếp mạch (có thể coi nội trở pin mặt trời) Hinh 2.3 : sơ đồ tương đương pin mặt trời Hinh sơ đồ tương đương dàn pin lượn mặt trời theo Zhao zheng Ming, Liu Jian Zheng, Sun Xiao Ying Li Ji Yong từ sơ đồ tương đương dàn pin lượng mặt trời ta có phương trình đặc tuyến Volt-Ampere pin mặt trời I = Iph – IS(exp- (1.6) Trong đó: Iph : dòng điện ánh sáng mặt trời dàn pin lượng mặt trời sinh (A) ID: dòng điện chảy qua DIODE ISH : dòng điện chạy qua nội trở song song RSH I: dòng điện chạy qua tải nội trở nối tiếp RS(A) IS: dòng điện bão hòa diode D ( thường lấy IS=8*10^(-4)(A)) Rsh, Rs : nội trở song song nội trở nối tiếp dàn pin lượng mặt trời V: điện áp tải (V) Page Q: điện tích (C) N: hệ số mặt ghép p-n giàn pin lượng mặt trời Gần lấy N=1 T: nhiệt độ tuyệt đối bề mặt dàn pin lượng mặt trời giá trị T=300k K: hệ số Boltzman(J/K) - Dòng điện ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch ISC dòng điện mạch pin mặt trời làm ngắn mạch tức lúc điện áp V=0 Đặt giá trị V=0 vào phương trình đặc U-I ta I = Iph – IS(exp- (1.7) Trong điều kiện chiếu sáng bình thường ( hội tụ) hiệu ứng điện trở nối tiếp RS bỏ qua, Id=0 suy ra: ISC=Iph=S.α (1.8) Trong S: cường độ ánh sáng Α: hệ số tỷ lệ - Điện áp hở mạch Áp hở mạch VOC hiệu điện đo mạch pin mặt trời hở mạch Khi dòng điện mạch I=0 Đặt giá trị vào đặc tuyến U_I vá giả thiết RSH lớn ta điện áp hở mạch sau Page Voc= ln( +1) (1.9) - Công suất cực đại Ta xét pin mặt trời điều kiện chuẩn Trong trường hợp hở mạch, áp pin mặt trời áp hở mạch VOC, dòng I=0 nên công suất pin P = Trong trường hợp ngắn mạch, V = 0, I = ISC nên công suất pin P = Khi mắc tải vào pin giá trị dòng, áp khác hay pin cấp nguồn cho tải với công suất P Hình 2.7 đồ thị V-A đồ thị công suất pin mặt trời Đồ thị ta thấy, hai điểm đầu cuối đồ thị V – A ứng với hai điểm I SC VOC , P = Điểm công suất cực đại (MPP) nằm gần đoạn gấp khúc đồ thị V – A, điểm mà tích giá trị điện áp dòng điện cực đại Giá trị điện áp dòng điện điểm công suất cực đại ký hiệu V m Im tất điều kiện khảo sát, VR IR(rated voltage : áp định mức rated current : dòng định mức) trông điều kiện khảo sát lý tưởng Page Hình 2.8 xác đinh điểm MPP Một cách khác để hình dung vị trí điểm công suất cực đại tìm hình chữ nhật nằm đường đồ thị V – A có diện tích lớn hình Diện tích hình chữ nhật công suất ứng với đỉnh nằm đường đồ thị V – A trời : P= V*I = V[ISC- I0 (exp -1)] (1.11) Tại điểm công suất cực đại công thức tính công suất pin mặt = [ISC- I0 (exp -1)] - I0 exp Từ công thức ta có dòng điện điện áp điểm cưc đại Im=[ISC- I0 (exp -1)] (1.12) Vm =VOC - ln( +1) (1.13) **************CODE MATLAB********************** >> T=28+273; >> Tr1=40; >> Tr=((Tr1-32)*5/9)+273; Page >> S=100; >> ki=0.00023; >> Iscr=3.75; >> Irr=0.00021; >> k=1.38065*10^(-23); >> q=1.6022*10^(-19); >> A=2.15; >> Eg=1.166; >> Eg =1.166; >> Np=4; >> Ns=60; >> V0=[0 : : 300]; >> Iph=(Iscr+ki*(T-Tr))*(S/100); >> Irs=Irr*((T/Tr)^3)*exp(q*Eg/(k*A)*((1/Tr)-(1/T))); >> I0=Np*Iph-Np*Irs*(exp(q/(k*T*A)*V0./Ns)-1); >> P0=V0.*I0; >> V1=20; >> figure(1) >> plot(V0,P0); >> axis([0 35 400]); >> xlabel ('DIEN AP (V)'); Page 10 #byte portb=0x06 #byte portc=0x07 #byte portd=0x08 #byte porte=0x09 #bit RELAY1=portb.4 #bit RELAY2=portb.5 #bit chop=porta.1 #include int8 sec,min,hour,day,date,month,year,i; VOID HIEN_THI_SO(INT16 X) { INT8 TRAM,CHUC,DONVI; TRAM = X / 100 +0x30; X = X % 100; CHUC = X/10 +0x30; DONVI = X % 10 +0x30; LCD_PUTCHAR (CHUC); LCD_PUTCHAR (DONVI); } void write_DS1307(byte address, BYTE data) { Page 31 i2c_start(); i2c_write(0xd0); i2c_write(address); i2c_write(data); i2c_stop(); } BYTE read_DS1307(byte address) { BYTE data; i2c_start(); i2c_write(0xd0); i2c_write(address); i2c_start(); i2c_write(0xd1); data=i2c_read(0); i2c_stop(); return(data); } int8 bcdtodec(int8 val) { Page 32 return (((val/16)*10) + (val%16) ); } int8 dectobcd(int8 val) { return((val/10)*16+(val%10)); } void check_time() { sec=read_ds1307(0); if(sec==0) { min=read_ds1307(1); if(min==0) { hour=read_ds1307(2); day=read_ds1307(3); date=read_ds1307(4); month=read_ds1307(5); year=read_ds1307(6); } } Page 33 } void write_time(int8 giay,int8 phut,int8 gio,int8 thu,int8 ngay,int8 thang,int8 nam) { giay=dectobcd(giay); phut=dectobcd(phut); gio=dectobcd(gio); thu=dectobcd(thu); ngay=dectobcd(ngay); thang=dectobcd(thang); nam=dectobcd(nam); write_ds1307(0,giay); write_ds1307(1,phut); write_ds1307(2,gio); write_ds1307(3,thu); write_ds1307(4,ngay); write_ds1307(5,thang); write_ds1307(6,nam); } void READ_TIME() { Page 34 sec= bcdtodec(read_ds1307(0)); min= bcdtodec(read_ds1307(1)); hour= bcdtodec(read_ds1307(2)); day= bcdtodec(read_ds1307(3)); date= bcdtodec(read_ds1307(4)); month= bcdtodec(read_ds1307(5)); year= bcdtodec(read_ds1307(6)); } void hien_thi() { LCD_PUTCMD(0X80); LCD_PUTCMD(0X83); HIEN_THI_SO(DATE); LCD_PUTCHAR ("/"); HIEN_THI_SO(MONTH); LCD_PUTCHAR ("/"); HIEN_THI_SO(20); HIEN_THI_SO(YEAR); LCD_PUTCMD(0XC0); LCD_PUTCHAR ("THU:"); HIEN_THI_SO(DAY); Page 35 LCD_PUTCMD(0XC7); HIEN_THI_SO(HOUR); LCD_PUTCHAR (":"); HIEN_THI_SO(MIN); LCD_PUTCHAR (":"); HIEN_THI_SO(SEC); } VOID TAO_ XUNG() { chop=0; DELAY_MS(50); chop=1; DELAY_MS(50); } VOID MAIN() { TAO_XUNG(); SET_TRIS_A (0X00); SET_TRIS_E (0X7); SET_TRIS_B (0B00000000); SET_TRIS_C (0B11001000); Page 36 SET_TRIS_D (0x00); lcd_init (); LCD_PUTCMD(0XC0); //write_time(30,20,9,03,07,05,13); WHILE(TRUE) { READ_TIME(); HIEN_THI(); if(hour==09 && min==00&& sec==00) { RELAY1 = 1; for(i=0;i[...]... END******************************************************* • KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Đặc tuyến von- ampe của hệ thống pin mặt trời ở nhiệt độ và cường độ ánh sáng chuẩn  Để kháo sát sự phụ thuộc của pin mặt trời vào cường độ ánh sáng ta lần lượt thay cường độ ánh sáng ở những giá trị khác nhau ta được kết quả mô phỏng sau Page 11 Đặc tuyến U-I của pin mặt trời khi cường độ ánh sáng thay đổi Đặc tuyến U-P của pin mặt trời khi cường độ ánh sáng thay đổi... đến điện năng mà giàn pin sản suất ra trong hằng ngày Về mặt lý thuyết để thu được năng lượng mặt trời một cách triệt để tức là làm cho năng lượng mặt trời chiếu vào dàn pin là tối đa tại mọi thời điểm Page 14 vào ban ngày thì phải làm cho dàn pin mặt trời luôn hướng về phía mặt trời do vậy ta phải thiết kế một hệ thống có thể tự động quay dàn pin bám theo hướng di chuyển của mặt trời để nhận được lược... pin theo mặt trời, dựa vào thời gian thực để bám theo sự di chuyển của mặt trời trong một ngày CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 đặt vấn đề Trong hệ thống pin mặt trời thành phần quan trọng nhất là giàn pin tùy thuộc vào công suất mà giàn pin có kích thước khác nhau từ 0.5m 2 tới hàng trăm m2 Việc định hướng pin mặt trời là công việc được quan tâm... độ ánh sáng vào đặc tuyến của pin mặt trời giúp ta có thể tính toán và điều chỉnh câc thông số ảnh hưởng để làm sao thu được điểm công suất cự đại của tấm pin Page 13 Từ đồ thi đặc tuyến ta có thể thiết kế các bài điều khiển phù hợp để có thể nâng cao hiệu suất của tấm pin tới mức tối đa Trong đồ án này để nâng cao hiệu suất cho tấm pin chúng em thiết kế thuật toán điều khiển bám tấm pin theo mặt trời, ... ý tưởng thiết kế và cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế Hình 4.2 mô hình hệ thống thiết kế trên phần mềm inventer 2.2.1 ý tưởng thiết kế Ta sẽ thiết kế mạch bám pin mặt trời theo thời gian thực Tính theo tọa độ địa lý tại vị trí tỉnh Hưng Yên với vĩ độ: 20°36′-21°01′ bắc, kinh độ: 105°53′-106°17′ Đông vào những ngày tháng 6 thì cứ 3 phút mặt trời lại quay một góc 0.7 độ Vậy cứ một tiếng mặt trời chuyển... DS1307 2.2.3 Thiết kế phần cứng 2.2.3.1 sơ đồ khối hệ thống Page 23 của Hình 2.3.7 sơ đồ khối toàn hệ thống 2.2.3.1 thiết kế khối nguồn Hình 2.3.7 sơ đồ khối nguồn Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp điện áp một chiều 5v, và 12v chất lượng tốt cho main chip, và mạch điều khiển động cơ Page 24 2.2.3.2 thiết kế khối mạch xử lý trung tâm Hình 2.3.7 sơ đồ main chip Main chip điều khiển để điều khiển toàn bộ quá... cung cấp cho tải sẽ giảm tuyến tính theo cường độ ánh sáng nghĩa là ánh sáng càng tăng dòng càng lớn Page 12  Để khảo sat sự thay đổi của nhiệt độ tới đường đặc tuyến U-I của hệ thống ta cũng lần lượt cho giá trị nhiệt độ thay đổi sau khi khảo sát ta dược đặc tuyến sau Đặc tuyến U- của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi Đặc tuyến U-P của pin mặt trời khi nhiệt độ sáng thay đổi Từ đặc tuyến trên ta... những điều kiện bắt buộc phải có khi một thiết bị chủ muốn thiết lập giao tiếp với một thiết bị nào đó trong mạng I2C START là điều kiện khởi đầu, báo hiệu bắt đầu của giao tiếp, còn STOP báo hiệu kết thúc một giao tiếp Hình 11 mô tả điều kiệnSTART và điều kiện STOP khi giao tiếp I2C giữa DS1307 với Vi Điều Khiển Hình2.3.4: Điều kiện START và STOP Ban đầu khi chưa thực hiện quá trình giao tiếp, cả hai... tháng 6 thì cứ 3 phút mặt trời lại quay một góc 0.7 độ Vậy cứ một tiếng mặt trời chuyển động trên mặt trời một góc 15 độ Từ cơ sở này ta định góc quay tấm pin theo thời gian thực 2.2.2 Cơ sở lý thuyết a tổng quan về PIC 16F877A Page 15 hình 2.2.2 sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887A PIC16F887 là vi điều khiển 8-bit có kiến trúc Harvard của Microchip có những thông số kỹ thuật như sau: Clock hoạt động... cần nó sẽ quan sát bit xác nhận ACK cuối cùng rồi sau đó sẽ tạo ra một tín hiệu dừng STOP để kết thúc quá trình truyền thông b IC thơì gian thực IC thời gian thực là họ vi điều khiển của hãng DALLAS DS1307 có một số đặc trưng cơ bản sau: DS1307 là IC thời gian thực với nguồn cung cấp nhỏ dùng để cập nhật thời gian và ngày tháng SRAM :56bytes Địa chỉ và dữ liệu được truyền nối tiệp qua 2 Page 19 đường