Thiết kế chế tạo mô hình bơm nước sử dụng pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ MAI PHƯỚC TRẢI THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƯỚC SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ MAI PHƯỚC TRẢI

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƯỚC

SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

S K C0 0 4 7 5 6

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƯỚC

SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH KHOA HỌC

(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Mai Phước Trải Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1989 Nơi sinh: Đồng Tháp

Quê quán: Tân Nghĩa, Cao Lãnh, Đồng Tháp Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Trường Đai Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 73Nguyễn Huệ, Phường 2, TP.Vĩnh Long

Điện thoại cơ quan: 0703822141 Điện thoại nhà riêng: 01669866665 Fax: 0703821003 E-mail: traimp@vlute.edu.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Cao Đẳng chính qui Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 03/2011

Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long

Ngành học: Cơ Khí Động Lực

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/2011 đến 03/2013

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô

Tên đồ án, luận án tốt nghiệp: Biên soạn giáo trình môn học thực tập ô tô 1

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án tốt nghiệp: 01/2013 tại Trường Đại Học Sư Phạm

&đóngmộc giáplạihình

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

Tên luận văn: Thiết kế chế tạo mô hình bơm nước sử dụng pin năng lượng mặt trời Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 10/2015 tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Người hướng dẫn: TS Lê Thanh Phúc

Ngày & nơi bảo vệ:

5 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn B1

6 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp, số bằng, ngày & nơi cấp: III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

01-06-2013 Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long Giảng viên

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

Mai Phước Trải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 09 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Mai Phước Trải

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn:

- Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

- Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long

- Thầy cô làm việc ở các phòng, khoa chuyên môn, thư viện, đặc biệt là phòng Đào tạo sau đại học, khoa cơ khí động lực trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

- Thầy cô làm việc ở các phòng tổ chức hành chính, phòng kế toán tài vụ, phòng đào tạo, phòng quản lý khoa học, thư viện, khoa cơ khí Động lực trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long

- Thầy hướng dẫn tiến sĩ Lê Thanh Phúc đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viênvà tạo

điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn Xin kính chúc thầy luôn mạnh khỏe, vui tươi, hạnh phúc và tiến bước trên sự nghiệp giáo dục của mình

- Thầy phản biện luận văn đã có những ý kiến đóng góp giúp em hoàn thiện được tốt luận văn của mình Chúc thầy vui vẻ, khỏe mạnh, hạnh phúc

- Thầy cô tham gia giảng dạy lớp cao học ngành kỹ thuật cơ khí động lực niên khóa 2013 – 2015B

- Gia đình, người thân, đồng nghiệp, bạn bè

Đã tận tình giúp đỡ động viên và tạo mọi đều kiện thuận lợi về mọi mặt giúp tôi hoàn thành khóa học

Tp HCM, Ngày 18 tháng 09 năm 2015

Người nghiên cứu

Mai Phước Trải

TÓM TẮT

Luận văn này trình bày việc thiết kế và thi công mô hình bơm nước sử dụng pin năng lượng phục vụ cho đời sống sản xuất, sinh hoạt cho người dân nông thôn ở Đồng bằng sông Cửu Long Người sử dụng vận hành ở hai chế độ bơm là có hẹn thời gian và không có hẹn thời gian

Tác giả sử dụng vi điều khiển PIC18F4550-40 của hãng Microchip để đọc dòng điện đầu vào từ cảm biến dòng ACS756-50 và điện áp đầu vào, điện áp đầu ra từ cầu phân áp, đọc nhiệt độ của pin từ cảm biến nhiệt độ LM35, để điều khiển tần số đóng mở mạch kích MOSFET của mạch công suất, điều khiển đóng mở các Relay, tính toán hiển thị điện áp, công suất của pin, nhiệt độ, thời gian bơm lên màn hình LCD

Ngoài ra mạch còn có các tụ và IC ổn áp nguồn 7812 dùng để ổn định điện áp nguồn

và các tụ dùng để bù sụt áp giúp cho mạch hoạt hoạt động ổn định

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hoạt động khá ổn định và đạt yêu cầu đề ra Điện áp đầu vào của mạch từ pin năng lượng mặt trời thay đổi liên tục từ 14V đến 18V Điện áp này phục thuộc vào cường độ bức xạ của ánh nắng mặt trời chiếu xuống diện tích của pin Điện áp đầu ra của mạch cấp cho tải dao động nhỏ từ 24V đến 26V Bằng kết quả thực nghiệm cho thấy, điện áp đầu ra khỏi mạch nạp cho ắc qui ổn định hơn so với điện áp cấp cho bơm hoạt động do công suất của bơm lớn hơn của bình ắc qui Điện áp từ ắc qui cấp cho bơm qua Relay giảm theo thời gian, và giá trị dao động từ 24V đến 22V thì dừng bơm

Từ khóa: Mô hình bơm nước, Pin năng lượng mặt trời, Mạch điều khiển bơm

ABSTRACT

The key content of this thesis is about the design of water pumping model using in order to serve the production, irrigation systems and everyday living for rural residents in Mekong Delta This system can be used in dual-mode operation including pump with timer and no timer

The author has used its micro controllers PIC18F4550-40 from the Microchip producer to read the input current flow from its sensor ACS756-50, and the input, output voltage from the potentiometer, read the temperature of the battery from a sensor LM35 to control all Commutation frequency which is used to open or close fiel circuit MOSFET of the power circuit, control the opening of the Relay, calculate and display voltage, battery capacity, temperature, time diaphragm in the LCD

Besides, the circuits also have capacitors and IC 7812 voltage regualator which are used for stablizing the voltage source, and the other capacitors are used to compensate for the voltage as it is lower in order to make the circuit stable

Experimental results show that the model works quite stably and effectively The input voltage of solar panels is changing continuously from 14V to 18V dependent on the radiation intensity of sun which shines down the square of the battery However, the output voltage has not changed drammatically from 24V to 26V With the experiment, it can be seen the output voltage of the circuit which charges the battery is more stable than that of the pump since the model of using the pump power is more than the battery power If the voltage from the battery which supplies to pump has decreased through RELAY from 24V

to 22V, it will stop working

Keywords: Models of water pump, Solar batteries, Pump control circuit

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI iii

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC HÌNH xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG xvii

Chương 1 1

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tồng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước 2

1.2.1 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong nước 2

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng ngoài nước 5

1.3 Mục đích của đề tài 12

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 12

1.4.1 Nhiệm vụ 12

1.4.2 Giới hạn của đề tài 13

1.5 Phương pháp nghiên cứu 13

1.6 Điểm mới của đề tài 13

1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài 13

1.8 Bố cục của luận văn 14

Chương 2 15

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LUẬN VĂN 15

2.1 Lý thuyết về Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời 15

2.1.1 Lý do chọn năng lượng mặt trời 15

2.1.2 Mặt trời 15

2.1.3 Nguồn bức xạ Mặt trời 16

2.2 Cơ sở lý thuyết của Pin năng lượng Mặt Trời 18

2.2.1 Pin năng lượng Mặt trời là gì? 18

2.2.2 Lịch sử về pin năng lượng Mặt Trời 19

2.2.3 Nền tảng của pin năng lượng Mặt trời 19

2.2.4 Vật liệu chế tạo pin năng lương mặt trời 21

2.2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lương Mặt trời 22

2.2.5.1 Cấu tạo 22

2.2.5.2 Nguyên lý hoạt động 23

2.2.6 Hiệu suất của pin năng lượng Mặt trời 25

2.2.7 Ưu và nhược điểm của pin năng lượng Mặt Trời 26

2.2.7.1 Ưu điểm của năng lượng Mặt trời 26

2.2.7.2 Nhược điểm của pin năng lượng mặt trời 27

2.2.8 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 27

2.3 Lý thuyết về công suất cực đại của pin năng lượng Mặt trời 31

2.3.1 Tầm quan trọng của việc dò tìm công suất cực đại 31

2.3.2 Thuật toán Perturb & Observe (P&O) để tìm điểm công suất cực đại 32

2.4 Lý thuyết về biến đổi điện áp trong hệ thống pin năng lượng Mặt trời 35

2.4.1 Bộ biến đổi điện áp DC/DC 35

2.4.2 Bộ biến đổi áp DC/DC boost converter 36

2.5 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết 39

2.5.1 Ưu điểm của động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều 39

2.5.1.1 Ưu điểm của động cơ điện xoay chiều 39

2.5.1.2 Ưu của động cơ điện một chiều 39

2.5.2 Cấu tạo của máy bơm nước 39

2.5.3 Nguyên lý hoạt động của bơm màng 41

2.5.3 Một số lợi điểm của máy bơm màng 43

2.5.4 Đặt tính là việc của bơm màng 43

2.6 Cở sở lý thuyết tính toán hệ thống pin năng lượng Mặt trời 45

2.6.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị sử dụng mỗi ngày 45

2.6.2 Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày 45

2.6.3 Tính toán kích cở tấm pin mặt trời cần sử dụng 45

2.6.4 Tính toán ắc qui (battery) 46

2.7 Lý thuyết về hướng dẫn sử dụng và bảo dưỡng ắc qui 47

2.7.1 Nguyên lý hoạt động của ắc qui 47

2.7.2 Hướng dẫn cách nạp điện cho ắc qui trước khi sử dụng 47

2.7.3 Hướng dẫn cách nạp điện ắc qui trog quá trình sử dụng 49

2.7.4 Bảo quản 50

Chương 3 51

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƯỚC 51

3.1 Các yêu cầu kỹ thuật khi chế tạo mô hình bơm nước 51

3.1.1 Yêu cầu về kỹ thuật 51

3.1.2 Yêu cầu về kinh tế 51

3.2 Sơ đồ của mô hình 51

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của mô hình 51

3.2.2 Sơ đồ kết cấu của mô hình 52

3.2.3Tính hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng cho mô hình 54

3.3 Chọn các thiết bị cho mô hình 55

3.3.1 Chọn Thông số kỹ thuật cho pin năng lượng Mặt Trời 55

3.3.2 Chọn thông số kỹ thuật cho máy bơm nước 57

3.3.2.1 Tính toán ống hút của máy bơm 58

3.3.2.2 Tính toán vòi phun nước 58

3.3.3 Chọn ắc qui 59

3.4 Thi công bo mạch cho mô hình 60

3.4.1 Chọn linh kiện điện tử cho bo mạch 60

3.4.2 Yêu cầu của của linh kiện điện tử 60

3.4.3 Mạch điều khiển công suất 60

3.4.3.1 Tính toán chọn các linh kiện điện tử cho mạch công suất 61

3.4.3.2 Giải thuật chương trình điều khiển điện áp của mạch công suất 63

3.4.3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển công suất 63

3.4.4 Mạch nguồn cho vi điều khiển 64

3.4.5 Mạch Cảm biến dòng ACS756-50 65

3.4.6 Mạch Reset cho vi điều khiển và hiển thị LCD 16x2 65

3.4.7 Sơ đồ mạch điều khiển relay 67

3.4.7.1 Giản thuật đều khiển relay bơm 68

3.4.7.2 Mạch điều khiển Relay 1 lấy điện áp từ pin cấp cho bơm 68

3.4.7.4 Mạch điều khiển Relay 3 lấy điện áp từ pin nạp cho ắc qui 71

3.4.8 Sơ đồ mạch nút nhấn bơm 72

3.4.9 Sơ đồ mạch nút nhấn tăng thời gian bơm 72

3.4.10 Sơ đồ mạch nút nhấn thời gian bơm giảm 73

3.4.11 Giản thuật điều khiển nút nhấn hẹn và không hẹn thời gian bơm 74

3.5 Quy trình làm mach 74

Chương 4 77

THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 77

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

4.1 Các quy định về an toàn khi vận hành thiết bị 77

4.1.1 Các quy định về an toàn 77

4.1.2 Những vấn đề cần lưu ý khi tai nạn đã xảy ra 77

4.1.3 Những quy định khi làm việc với ắc qui 78

4.1.4 Kiểm tra các hệ thống trước khi vận hành 78

4.1.5 Kiểm tra hàng ngày 79

4.1.6 ết bị 79

4.2 Hướng dẫn lắp đặt và đấu dây cho mô hình 79

4.3 Hướng dẫn vận hành thiết bị 82

4.3.1 Một số yêu cầu khi vận hành thiết bị 82

4.3.2 Hoạt động của mô hình 82

4.3.3 Các trường hợp hoạt động của mô hình thực tế như sau 84

4.4 Kết quả thực nghiệm 85

4.4.1 Thực nghiệm đo điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi bơm hoạt động 85

4.4.2 Thực nghiệm đo điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi nạp điện cho ắc qui 87

4.4.3 Thực nghiệm khi bơm bằng ắc qui 89

4.4.4 Nhận xét kết quả thực nghiệm 89

4.5 Thực nghiệm thực tiễn khi bơm nước tưới cho hoa màu 89

4.6 Đánh giá kết quả đạt được 90

4.7 Kết luận 91

4.8 Hướng phát triển của đề tài nghiên cứu 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 96

Phụ lục: Chương trình code của mạch 96

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NL: Năng lượng

NLMT: Năng lượng mặt trời

CĐNL: Chuyển đổi năng lượng

KHCNMT: Khoa học công nghệ môi trường

KHCN&Y/T: Khoa học công nghệ và y tế

MPPT (Maximum Power Point tracking): Dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại

PV (Photovoltaic): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng

MPP (Maximum Power Point): Điểm làm việc ứng với công suất cực đại của pin năng

lượng mặt trời

GP(Global peaks): Đỉnh công suất lớn nhất

P&O(Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đến điểm cực đại DC/DC: Direct current/Direct current

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình thiết bị chưng cất nước ngọt hình hộp và hình tháp 4

Hình 1.2: Xe năng lượng mặt trời 6

Hình 1.3: Helios UAV trong chuyến bay sử dụng năng lượng mặt trời. 6

Hình 1.4: Công viên quang điện Lieberose 71,8 MW tại Đức 7

Hình 1.5: Các PS10 tập trung ánh sáng mặt trời từ cánh đồng heliostats 8

trên một tháp trung tâm 8

Hình1.6: Bát năng lượng mặt trời tại Auroville, Ấn Độ. 9

Hình 1.7: Khử trùng nước năng lượng mặt trời 10

Hình 1.8: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời 10

Hình 2.1: Cấu trúc của mặt trời 15

Hình 2.2: Dải bức xạ điện từ 17

Hình 2.3: Cấu trúc của pin năng lương Mặt trời 18

Hình 2.4: Ảnh của Alexandre Edmond Becquere 19

Hình 2.5: Quá trình tạo một panel pin mặt trời 21

Hình 2.6: Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời 21

Hình 2.7: Cấu tạo của một phần tử pin mặt trời 22

Hình 2.8: Cấu tạo của một tấm pin năng lượng Mặt trời 22

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 23

Hình 2.10: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 23

Hình 2.11 Các vùng năng lượng 24

Hình 2.12: Đường đặc tính làm việc V-1 của pin mặt trời 28

Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 29

Hình 2.14: Đường V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời 29

Hình 2.15: Đường cong đặc tính V-I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ 30