Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào đời sống sinh hoạt

Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thànhphần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn,thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơ

DANH MỤC CÁC HÌNH

2.15 Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở

2.16 Đặc tính làm việc I-V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức

2.17 Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 42

2.19 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 432.20 Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D 442.21 Lưu đồ thuật toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển đo trực

3.2 Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung 51

3.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển một chiều - xoay chiều SIN dùng vi điều khiển 53

3.11 Vi mạch IR2112 và sơ đồ cấu trúc chân 60

4.5 Thử nghiệm với tải thuần trở là bóng đèn sợi đốt (220V-10W) 74

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 3

1.1 Pin năng lượng mặt trời 3

1.2 Cấu tạo của pin mặt trời 3

1.3 Nguyên lý hoạt động 5

1.4 Cách ghép nối các tấm pin mặt trời 6

1.5 Phân loại 7

1.6 Ưu nhược điểm của điện mặt trời 7

1.7 Ứng dụng của pin mặt trời 8

1.8 Tiềm năng sử dụng điện mặt trời ở Việt Nam 10

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI 12

2.1 Sơ đồ khối hệ thống 12

2.2 Giới thiệu về vi điều khiển pic16F877A 13

2.2.1 Sơ đồ chân vi điều khiển ic16F877A 15

2.2.2 Một vài thông số về vi điều khiển Pic16F877A 19

2.3 Giới thiệu về ắc quy 23

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của acquy axit 23

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của acquy kiềm 25

2.3.3 Các thông số cơ bản của acquy 26

2.3.4 Đặc tính phóng điện của acquy 28

2.3.5 Đặc tính nạp của acquy 29

2.3.6 Các phương pháp nạp của acquy 31

2.4 Nguyên lý mạch nạp ắc quy 33

2.4.1 Nạp ắc quy bằng phương pháp điều chế độ rộng xung 33

2.5 Giới thiệu về cảm biến dòng điện ACS712 35

2.6 Thiết kế mạch nạp 37

2.6.1 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 37

2.6.2 Thuật toán mạch nạp ăcquy 41

2.6.2 Xây dựng mạch nguyên lý và nguyên lý hoạt động của mạch 46

2.7.Chọn các thiết bị cho hệ thống nạp 48

Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ĐỔI DC/AC – INVERTER SIN 50

3 1 Các phương pháp điều chế SPWM 50

3.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực 51

3.1.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung lưỡng cực 52

3.2 Sơ đồ khối bộ đổi điện SIN dùng vi điều khiển 53

3.3 Khối nguồn 53

3.3.1 Nguồn một chiều 12V-DC 53

3.2.2 Nguồn ổn áp 05V, 12V-DC 54

3.4 Khối điều khiển PIC16F877A 56

3.5 Mạch tách xung 60

3.6 Khối công suất 61

3.6.1 Cầu H 61

3.7 Máy biến áp lực 66

3.8 Thiết kế mạch điều khiển dùng PIC16F877A 68

Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 70

4.1.Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng hoạt động của mạch 70

4.2 Kết quả thực nghiệm 72

4.2.1 Sơ đồ mạch thực 72

4.2.2 Đo thực nghiệm 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 78

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DC-DC: Bộ biến đổi điện áp một chiều

DC-AC: Bộ biến đổi một chiều sang xoay chiềuNCKH: Nghiên cứu khoa học

MPPT: Maximum power pointtracking

PV: Pin năng lượng mặt trời

MỞ ĐẦU 1.Lý do chọn đề tài nghiên cứu

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề đảm bảo nguồncung cấp năng lượng điện cho sản xuất và sinh hoạt có vai trò đặc biệt quan trọng

Để tạo ra năng lượng điện con người sử dụng nhiều nguồn năng lượng hóa thạchnhư: thạn đá, khí đốt, dầu mỏ và đang ngày càng cạn kiệt khi bị khai thác quá mức,cùng với tốc độ công nghiệp ngày càng cao thì việc đốt các nguồn năng lượng hóathạch đang làm ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, do đó việc khai thác và sử dụng cácnguồn năng lượng sạch, bền vững đang là mối quan tâm hàng đầu không chỉ của cácnhà lãnh đạo, mà nó còn là mối quan tâm lớn của các gia đình

Cùng với việc ứng dụng những năng lượng sạch đặc biệt là năng lượng mặt trời đểtạo ra năng lượng điện đã được khai thác bằng các trạm pin đã được khẳng định rõràng trên thế giới Tại Việt Nam, việc ứng các trạm pin mặt trời vào đời sống cũng đãđược triển khai từ nhiều năm nay ở nhiều địa phuơng, nhưng chưa được nhiều Lý

do cơ bản là chi phí cho mỗi trạm pin còn khá đắt, đặc biệt là giá thành cáctấm pin còn khá cao do phải nhập từ nước ngoài

Với mục đích tạo thêm điều kiện mở rộng khai thác một dạng năng lượng tiềm tàng vàsạch sẽ, góp phần bảo vệ môi trường nói chung và giảm thiểu quá tải cho hệ thốngđiện Quốc gia do điện năng tiêu thụ của hộ gia đình với chi phí không quá Nhóm

nghiên cứu đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào đời sống sinh hoạt” để nghiên cứu và tìm ra những phương pháp để thiết kế, chế tạo ra

sản phẩm ứng dụng được trong đời sống sinh hoạt hộ gia đình

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về pin mặt trời và các ứng dụng của nó

- Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A, cảm biến dòng điện và cáp phương pháp nạpcho ắcquy

- Nghiên cứu thiết kế mạch nạp cho ắcquy trên nền vi điều khiển PIC16F877A

- Nghiên cứu thiết kế mạch biến đổi điện áp DC/AC trên nền vi điều khiểnPIC16F877A

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Pin mặt trời và vi điều khiển PIC16F877A

- Mạch nạp và mạch biến đổi DC/AC

Phạm vi nghiên cứu

- Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A, cảm biến dòng điện và các phương pháp nạpcho ắcquy

- Nghiên cứu thiết kế mạch nạp cho ắcquy trên nền vi điều khiển PIC16F877A

- Nghiên cứu thiết kế mạch biến đổi điện áp DC/AC trên nền vi điều khiểnPIC16F877A

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu tổng quan pin mặt trời

- Nghiên cứu các phương pháp nạp cho ắcquy và tổng quan về vi điều khiển

PIC16F877A

- Nghiên cứu sự kết hợp các linh kiện điện tử tạo thành các mạch nạp và mạch biến đổiđiện áp DC/AC

Phương pháp thực nghiệm:

- Sử dụng phần mềm proteus làm công cụ xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống

- Xây dựng mô hình thực nghiệm của hệ thống

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời vào đời sống sinh hoạt là tiền đề để ứng dụngrộng rãi một dạng năng lượng sạch vào đời sống cũng như công nghiệp Mô hình đượcxây dựng giúp cho sinh viên kiểm chứng lý thuyết đã được học và qua quá trình xâydựng mô hình sinh viên phát triển được tư duy sáng tạo, vận dụng linh hoạt kiến thức

đã học vào thực tiễn Mô hình được xây dựng là tài liệu tham khảo cho sinh viênchuyên ngành từ đó sinh viên khóa sau có thể phát triển và hoàn thiện sản phẩm

Hải Phòng, ngày tháng 04 năm 2016

Nhóm sinh viên thực hiện

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI

1.1 Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) baogồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một

số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánhsáng thành năng lượng điện, Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện.Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tửđược thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) saukhi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sáng trạngthái kích thích, làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi được người tadùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành cònđắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao,ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian, cụ thể như các vệ tinh quayxung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết

bị bơm nước Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thànhphần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn,thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có thể đó ánh sáng nhiều nhất,

và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Các tấm pin mặt trời lớn ngày nayđược lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giốngnhư cây xanh hướng về ánh sáng mặt trời

1.2 Cấu tạo của pin mặt trời

Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học,tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên màtồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silic, là đa thù hình

và tinh thể Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silic

Hình 1-1 Cấu tạo pin mặt trời

Silic là vật liệu bán dẫn, nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượngnhất định Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện Lý thuyết này căn

cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điệnkém Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng đượcthêm 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 vớicác nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể) Tuynhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗthì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) khôngtham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinhthể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn pbởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương, trong khi phần kết hợp với cácnguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm Lưu ýrằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượngdương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lạivới loại p

Để làm pin mặt trời từ bán dẫn silic người ta phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫnloại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n

Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại plấp vào lỗ trống thiếu electron, kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electroncũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấpvào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p -

n, đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được

1.3 Nguyên lý hoạt động

Hình 1-2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

 Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi nănglượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượngcao hơn

 Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khinăng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng caohơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electrontrong mạng tinh thể Thông thường các electron này là lớp ngoài cùng, và thường đượckết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron đượckích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống", lỗ trống này tạo điều kiệncho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống" Cứ tiếptục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

1.4 Cách ghép nối các tấm pin mặt trời

Các tấm pin mặt trời đều có công suất và điện áp xác định từ nhà sản xuất, để tạo

ra các tấm pin có công suất và điện áp theo yêu cầu thì phải ghép các nhiều modun lạivới nhau Có hai cách ghép cơ bản:

 Ghép nối tiếp các tấm modun lại với nhau để có điện áp lớn hơn: Nếu cácmodun pin mặt trời giống hệt nhau và cường độ chiếu sangstreen các tấm modun này

là như nhau, thì khi ghép nối tiếp các tấm modun lại với nhau ta sẽ có:

I = I1 = I2 = … Ii (1.1)

U = (1.2)

P = U.I = = (1.3)Trong đó:

I, P, U Lần lượt là dòng điện, công suất và điện áp của cả hệ

Ii, Pi, Ui Lần lượt là dòng điện, công suất và điện áp của modun thứ i

 Ghép song song các tấm modun lại với nhau sẽ cho dòng điện ra lớn hơn: Vớicách ghép này, giả sử nếu các modun là giống hệt nhau và cường độ chiếu nắng trêncác modun này là như nhau, thì khi đó ta có:

U = U1 = U2 = …… = Ui (1.4)

I = (1.5)

P = U.I = = (1.6)Thực tế để phù hợp với hệ thống người ta thường áp dụng cùng lúc cả hai cáchghép nối trên để vừa có thể đạt được điện áp và dòng điện mong muốn

Khi ghép nối các modun không giống nhau, sẽ xảy ra hiện tựng gọi là “điểmnóng”, nghĩa là khi ghép nối các modun có các thông số không giống nhau sẽ xảy rahiện tượng điểm nóng Đây là hiện tượng các tấm pin yếu hơn ( chất lượng kém hơnhoặc các modun không được chiếu nắng đồng đều ) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suấtđiện do các tấm pin khỏe hơn trong cùng hệ thống phát ra, điều này làm cho công suấtmạch ngoài bằng 0, phần năng lượng mà tấm pin yếu hơn hấp thụ được sẽ biến thànhnhiệt, làm hư hỏng hoặc giảm hiệu suất biến đổi quang điện của hệ

Để tránh hiệu ứng “điểm nóng” khi thiết kế cần phải sử dụng các modun có cùngthông số trong một giàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn pin mặt trời cần phải tránh cácbóng che do cây cối, nhà cửa.

Để đạt được hiệu năng lớn nhất các tấm pin năng lượng mặt trời phải luôn đượcphơi nắng và hướng trực tiếp về phía mặt trời Hiệu suất thu điện năng từ pin mặt trờitại mỗi vùng là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất là không đồng đều.Hiệu suất của các tấm pin mặt trời còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

 Chất liệu bán dẫn làm pin mặt trời

 Vị trí đặt các tấm pin mặt trời

 Thời điểm trong ngày: sáng, trưa, chiều, tối

 Thời tiết, khí hậu

 Đa tinh thể: Làm từ các thỏi 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.Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinhthể 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 tinhthể: Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vìkhông cần phải cắt từ thỏi silic

1.6 Ưu nhược điểm của điện mặt trời

 Ưu điểm

 Lắp đặt, vận hành đơn giản, dễ dàng, hầu như không cần bảo trì, bảo dưỡng

 Không cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường

 Có thể lắp đặt ở nhiều nơi, nhất là khu vực miến núi, hải đảo

 Hoạt động tin cậy, lâu dài

 Tiết kiệm tiền điện, không cần phải trả các hóa đôn tiền điện từ hệ thốngđiện mặt trời này ( nếu là hộ gia đình lắp đặt )

 Nhận được nhiều ưu đãi từ chính phủ khi xây dựng hệ thống điện mặt trời( hiện nay chính phủ Việt Nam đang khuyến khích mô hình điện mặt trời ).

 Nhược điểm

 Chi phí đầu tư ban đầu còn cao

 Độ bền của ắc quy bị giảm, phải thay ắc quy nhiều

 Hiệu quả của hệ thống điện mặt trời còn phụ thuộc vào vị trí lắp đặt, và điềukiện khí hậu, thời tiết

1.7 Ứng dụng của pin mặt trời

 Tích hợp vào thiết bị

Hình 1-3 Ứng dụng pin mặt trời lên điện thoại di động

Pin mặt trời thường được tích hợp vào các thiết bị như máy tính bỏ túi, laptop,đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đènđường, các loại xe, xáy bay, robot tự hành, vệ tinh nhân tạo

Từ chiếc đồng hồ đeo tay nhỏ bé, chiếc điện thoại dắt trong túi quần cho đếnnhững chiếc xe điện mặt trời chạy trên mặt đất hay những chú robot trên sao hỏa Sựtích hợp của pin mặt trời mang lại một sự khác biệt cho các thiết bị: Vừa thẩm mỹ, vừatiện dụng và thân thiện với môi trường

Hình 1-4 Ứng dụng pin mặt trời vào túi sách.

 Nguồn điện cho tòa nhà

Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiềnđiện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điệnkhổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đờisống sản xuất chung

Nguồn điện cho tòa nhà hiện tại được chia thành 2 loại đó là nguồn điện mặt trờicục bộ và nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia Riêng nguồn điện mặt trời hòa lướiquốc gia có nhiều ưu điểm và mang lại hiệu quả kinh tế cao nếu được nhà nướckhuyến khích sử dụng

Sử dụng nguồn điện mặt trời trong gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thểhiện một phong cách sống hiện đại trong một xã hội hiện đại

Hình 1-5 Ứng dụng pin mặt trời cho tòa nhà.

 Nhà máy điện mặt trời

Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo ra được một tổhợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện

Nhà máy điện mặt trời có thể dùng để cấp điện cho một thành phố, một hònđảo, Hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiêntrong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành sản xuất pin mặt trời giảmxuống

Hình 1-6 Nhà máy điện mặt trời.

1.8 Tiềm năng sử dụng điện mặt trời ở Việt Nam

Ở Việt Nam, việc điều tra đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời đã được nhiều

cơ quan nghiên cứu, trong đó chủ yếu do Viện khí tượng thuỷ văn thực hiện

Tính đến năm 1980, ngành khí tượng thủy văn đã xây lắp hơn 112 trạm đo khítượng, trải dài khắp mọi miền tổ quốc từ vùng núi phía Bắc như Cao Bằng, Lai Châuđến hải đảo xa xôi như Phú Quốc, Côn Đảo Các trạm khí tường này đã tiến hành đotrong nhiều năm các số liệu khí tượng phục vụ cho ngành khí tượng thủy văn, như sốliệu về bức xạ mặt trời, số giờ nắng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, tốc độ gió,lượng mưa… Các số liệu về đo bức xạ mặt trời bao gồm cường độ trực xạ, tán xạ, tổng

xạ, tổng lượng tổng xạ, số giờ nắng trung bình ngày, tháng…

Bức xạ mặt trời trung bình năm của cả nước từ 4,6 kWh/m2/ngày Số giờ nắngtrung bình cả năm đạt từ 2000 giờ nắng.

Bảng 1-1 Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ

nắn của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam

Các số liệu này cho thấy tiềm năng phát triển điện mặt trời ở Việt Nam là rất lớn,nhất là khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên, khu vực này có cường độ bức xạ mặttrời lên tới 4,9 – 5,7 kwh/m2.ngày, và có số giờ nắng trung bình lên tới 2000 – 2600giờ/năm

Hiện nay ở Việt Nam chính phủ đang khuyến khích đầu tư và phát triển các hệthống điện mặt trời, đặc biệt là ở các vùng như hải đảo, miền núi, hay như các hệthống chiếu sáng công cộng từ hệ thống điện mặt trời

Ở khu vực tây bắc nức ta khi mà hệ thống điện lưới quốc gia còn nhiều khó khănkhi tiếp cận những vùng cao và xa

Hiện nay tại khu vực Tây Bắc có 2 dạng mô hình công nghệ cấp điện bằng pinmặt trời đó là :Mô hình cấp điện độc lập (ngoài lưới điện) và mô hình cấp điện đấulưới quốc gia

Các mô hình cấp điện độc lập là các hệ không nối lưới, tự phát điện và cung cấptrực tiếp cho hộ tiêu thụ Mô hình cấp điện này sử dụng phổ biến 2 loại công nghệ:công nghệ cấp điện độc lập sử dụng pin mặt trời và công nghệ cấp điện độc lập kếthợp nguồn điện mặt trời với các loại nguồn điện khác như điện gió, thủy điện nhỏ,điện diesel

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI

2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2-1 Sơ đồ khối nạp ắc quy

Một hệ thống pin mặt trời bản thân nó không thể tự sản sinh ra điện năng, nó chỉ

có thể tạo ra điện năng khi có ánh nắng mặt trời chiếu vào các tấm pin mặt trời, do đó

có thể nói ánh nắng mặt trời là cội nguồn của điện năng trong một hệ thống điện mặttrời

Ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm pin mặt trời, tai đây ánh sáng mặt trời đượcbiến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều, dòng điện một chiều này đượcđưa tới bộ điều khiển nạp, bộ điều khiển nạp là một thiết bị điện tử có chức năng tự

PIN MẶT TRỜI ÁNH NẮNG

Bộ Ðiều Khiển Nạp

Ắc Quy

ẮC QUY

động điều khiển quá trình nạp cho ắc quy, khi ắc quy cạn bộ điều khiển nạp sẽ nạp cho

ắc quy khi pin mặt trời có sinh ra điện năng và tự động ngừng quá trình nạp cho ắc quykhi ắc quy đã được nạp đầy

2.2 Giới thiệu về vi điều khiển pic16F877A

PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” ( Máytính khả trình thông minh) là sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sảnphẩm đầu tiên của họ là PIC 1650 Lúc này Pic dùng để giao tiếp với các thiết bị

ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy người ta gọi PIC với tên là “Peripheral Interface Controller” ( bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi)

Năm 1985 General Instrument bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới(Microchip Technology) huỷ bỏ hầu hết các dự án – lúc đó đã quá lỗi thời Tuy nhiênPIC được bổ sung EEPROM để tạo thành một bộ điều khiển vào ra khả trình Ngàynay có rất nhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt các modul ngoại vi được tíchhợp sẵn ( như :USART, PWM, ADC…) với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32kword

PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 Bit ví dụPIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit , ví dụ PIC16Fxxx), tập lệnh baogồm khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với dòng PIC high-end( có độ dài mã lệnh 16bitPIC18Fxxxx) Tập lệnh bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, và các hằng số,hoặc các vị trí ô nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, nhảy/ gọi hàm, và các lệnh quaytrở về, nó cũng có các chức năng phần cứng khác như ngắt hoặc sleep( chế độ hoạtđộng tiết kiệm điện ) Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAB0, nó bao gồmphần mềm mô phỏng và trình dịch ASM

Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưngchúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau :

8/16/24/32 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard

 Flash và Rom có thể tuỳ chọn 256 byte đến 256 kbybe

 Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/ xoá lên tới hàng triệu lần

 Các cổng xuất/nhập (mức lôgic thường từ 0v đến 5v, ứng với mức logic 0 và

1, dòng khoảng vài chục mA)

 8/16 bit timer

 Modun giao tiếp ngoại vi nối tiếp không đồng bộ: USART.

 Modun giao tiếp ngoại vi song song (kiểu máy in)

 Bộ chuyển đổi ADC 10 bit nội gồm 8 kênh đầu vào

 Module ngoại vi MSSP dùng cho các giao tiếp I2C, SPI

 Modul CCP có chức năng

o Comparator (so sánh)

o Capture

o PWM: dùng trong điều khiển động cơ

Một số dòng vi điều khiển PIC hỗ trợ thêm:

 Hỗ trợ điều khiển động cơ 3 pha, 1 pha

 Hỗ trợ giao tiếp USB

 Hỗ trợ điều khiển Ethernet

 Hỗ trợ giao tiếp CAN

 Hỗ trợ giao tiếp LIN

 Hỗ trợ giao tiếp IRDA

 DSP những tính năng xử lý tín hiệu số

PIC16F8X là nhóm PIC trong họ PIC16XX của họ Vi điều khiển 8-bit, tiêu haonăng lượngthấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, chống tĩnh điện tuyệtđối Nhóm bao gồm các thiết bị sau:

độ dài 1 lệnh là 14-bit và busdữ liệu 8-bit cách biệt nhau Tất cả các lệnh đều mất 1chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh chương trình mất 2 chu kỳ lệnh Chỉ có 35lệnh và 1 lượng lớn các thanh ghi cho phép đáp ứng cao trong ứng dụng

Họ PIC16F8X có nhiều tính năng đặc biệt làm giảm thiểu các thiết bị ngoại vi, vìvậykinh tế cao, có hệ thống nổi bật đáng tin cậy và sự tiêu thụ năng lượng thấp Ở đây

có 4 sựlựa chọn bộ dao dộng và chỉ có 1 chân kết nối bộ dao động RC nên có giải pháptiết kiệmcao Chế độ SLEEP tiết kiệm nguồn và có thể được đánh thức bởi các nguồn

reset Và cònnhiều phần khác đó được giới thiệu bên trên sẽ được nói rõ ở các phần kếtiếp.

2.2.1 Sơ đồ chân vi điều khiển ic16F877A

Hình 2-2 Sơ đồ chân vi điều khiển pic16F877A.

Chức năng các chân của Pic16F877A

 AN2: Ngõ vào tương tự.

 VREF-: Ngõ vào điện áp chuẩn (mức thấp) của bộ A/D

 Chân số 5:

 RA3: Xuất, nhập số

 AN3: Ngõ vào tương tự

 VREF+: Ngõ vào điện áp chuẩn (mức cao) của bộ A/D

 AN4 : Ngõ vào tương tự

 SS : Ngõ vào chọn lựa SPI phụ

 C2 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 2

 Chân số 8:

 RE0: Xuất, nhập số

 AN5 : Ngõ vào tương tự

 RD : Điều khiển việc đọc ở port nhánh song song

 Chân số 9:

 RE1: Xuất, nhập số

 AN6 : Ngõ vào tương tự

 WR : Điều khiển việc ghi ở port nhánh song song

 Chân số 10:

 RE2: Xuất, nhập số

 AN7 : Ngõ vào tương tự

 CS : Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song song

 Chân số 11: VDD : Chân nguần của pic

 Chân số 12: Vss: Chân nối đất

 Chân số 13:

 OSC1 : Ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bênngoài Ngõ vào Schmit trigger khi được cấutạo ở chế độ RC ; một cáchkhác của CMOS.

 CLKI : Ngõ vào nguồn xung bên ngoài Luôn đượckết hợpvới chức năng OSC1

 T1OCO : Ngõ vào bộ dao động Timer 1

 T1CKI : Ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1

 Chân số 16:

 RC1: Xuất, nhập số

 T1OSI : Ngõ vào bộ dao động Timer 1

 CCP2 : Ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2

 SCK : Ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ racủa chế độ SPI

 SCL : Ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ racủa chế độ I2C

 SDI : Dữ liệu vào SPI.

 SDA : Xuất/nhập dữ liệu vào I2C

 Chân số 31: Vss: Chân nối đất.

 Chân số 32: Vdd: Chân nguần của pic

 PGD : Mạch vi sai và dữ liệu lập trình ICSP

2.2.2 Một vài thông số về vi điều khiển Pic16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đacho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộnhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte

Số PORT I/O là5 với 33pin I/O

Các đặc tính ngoại vi bao gồmcác khối chức năng sau:

+ Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

+ Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vàoxung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.

+ Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP(Synchronous Serial Port), SPI và I2C Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địachỉ Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD,WR,CS ở bên ngoài Các đặc tính Analog:8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit Hai bộ sosánh

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:Bộ nhớ flash với khảnăng ghi xóa được 100.000 lần Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được1.000.000 lần Dữ liệu bộ nhớ EEPROM , có 256 byte (có địa chỉ 00h÷FFh), có thểlưu trữ trên 40 năm

 Sơ đồ khối vi điều khiển Pic16F877A

Như đã nói ở trên, vi điều khiển PIC có kiến trúc Harvard, trong đó CPU truy cậpchương trình và dữ liệu được trên hai bus riêng biệt, nên làm tăng đáng kể băng thông

so với kiến trúc Von Neumann trong đó CPU truy cập chương trình và dữ liệu trêncùng một bus Việc tách riêng bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu cho phép số bitcủa từ lệnh có thể khác với số bit của dữ liệu Ở PIC 16F877A, từ lệnh dài 14 bit , từ

dữ liệu 8 bit.PIC 16F877A chứa một bộ ALU 8 bit và thanh ghi làm việc WR(working register) ALU là đơn vị tính toán số học và logic, nó thực hiên các phép tình

số và đại số Boole trên thanh ghi làm việc WR và các thanh ghi dữ liệu ALU có thểthực hiện các phép cộng, trừ, dịch bit và các phép toán logic

Hình 2-3 Cấu trúc bên trong của Pic 16F877A.

* Tổ chức bộ nhớ

Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớflash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1 word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang(từ page 0 đến page 3) Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024

= 8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14bit)

Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình

có dung lượng 13 bit (PC<12:0>)

Khi vi điều khiển được reset, bộ nhớ chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h Khi

có ngắt sảy ra , bộ nhớ chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h

Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi

bộ đếm chương trình Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau

Hình 2-4 Bộ nhớ chương trình của Pic.

* Bộ nhớ dữ liệu: Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiềubank Đối với PIC16F877A bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank Mỗi bank có dunglượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFG (Special FunctionRegister) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR (GeneralPurpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank Các thanh ghi SFR thườngxuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cà các bank của

bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh củachương trình Sơ đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A như sau:

Hình 2-5 Bộ nhớ của pic16F877A.

2.3 Giới thiệu về ắc quy

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của acquy axit

* Cấu tạo: Gồm bản cực dương bằng chì dioxit (PbO2) và bản cực âm bằng chì (Pb);

cả hai bản cực được nhúng trong dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng Do tác dụngvới dung dịch sunfuric, hai bản cực của acquy được tích điện khác nhau và hoạt độnggiống như một pin điện hóa Trong thực tế, các bản cực ắc quy không giống như ởtrên, các cực của ắc quy có số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn)

và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện

tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vịtrí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và tất nhiên là dunglượng ắc quy cũng tăng lên Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nênthông thường số cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việccủa hai mặt một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặttrái chiều ở cách nhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi) Ở giữa cácbản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độthẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anionxuyên qua chúng để đến các điện cực Mỗi một ngăn cực của ắc quy axit chỉ cho mứcđiện áp khoảng 2 đến 2,2 V do đó để đạt được các mức 6, 12 V thì ắc quy phải ghépnhiều ngăn nhỏ với nhau, ví dụ ghép 3 ngăn để thành ắc quy 6V, ghép 6 ngăn để thành

ắc quy 12V Phần nắp của acquy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừabụi bẩn và các vật bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điệnphân không bị tràn ra ngoài Trên nắp có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân

Để đảm bảo các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng

* Nguyên lý làm việc: Trong phần cấu tạo ta đã biết hai bản cực của acquy được làmbằng Chì (Pb) và oxít Chì (PbO2) Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric(H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa nước (H2O) là chiếmphần lớn thể tích Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái hóa họcnêu trên (như hình, tức là cực dương là PbO2, cực âm là Pb), trong các quá trìnhphóng điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi Quátrình phóng điện diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện khinày xảyra phản ứng hóa học sau:

 Tại cực dương:

2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2 (2.1)

 Tại cực âm:

Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 (2.2)

 Phản ứng chung gộp lại trong toàn bình là:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O (2.3)

Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàntoàn chuyển thành PbSO4

Quá trình nạp điện cho ắc quy, do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắcquy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lạitrong toàn bình sẽ là:

2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4 (2.4)Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: cực dương gồm PbO2

và cực âm là Pb

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của acquy kiềm

* Cấu tạo: Acquy kiềm có cấu tạo giống như acquy axit bao gồm: dung dịch điệnphân, vỏ bình acquy và các bản cực…Acquy kiềm là loại acquy mà dung dịch điệnphân là các dung dịch kiềm như KOH và NaOH Tùy thuộc vào cấu tạo của các bảncực, acquy kiềm được chia làm 3 loại:

 Loại acquy sắt – niken, loại acquy này có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe) vàniken (Ni)

 Loại acquy cadimi – niken, loại acquy này có bản cực chế tạo bằng cadimi(Cd) và niken (Ni)

 Loại acquy bạc – kẽm, là loại acquy có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag) vàkẽm (Zn)

Bản cực của acquy kiềm được chế tạo thành các dạng thỏi hoặc không thỏi Giữacác bản cực được ngăn bởi các tấm ebonite Nhóm các bản cực âm và nhóm các bảncực dương được hàn nối như nhóm bản cực của acquy axit để đưa ra các cọc bình củaacquy Các nhóm bản cực được đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏbằng lớp nhựa viniplat

Loại acquy dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi bản cực là một hộp làm bằng thép látrên bề mặt có khoan nhiều lỗ 0,2 – 0,3 mm để dung dịch thấm qua Nếu là acquy kiềmsắt– niken thì trong hộp bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cựcdương là hỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính

So với acquy axit, acquy kiềm có nhược điểm: giá thành cao hơn, điện trở tronglớn hơn Nhưng lại có những ưu điểm sau : có độ bền lớn hơn và thời gian sử dụng dài,trong điều kiện máy khởi động làm việc nặng nề hoặc cần có yêu cầu về độ tin cậy caothì acquy kiềm có tính ưu việt hơn hẳn acquy axit

*Nguyên lý làm việc:

Giống như acquy axit, quá trình hóa học trong acquy kiềm cũng là quá trìnhthuận nghịch.

Nếu bản cực là sắt – niken thì phản ứng hóa học trong acquy như sau:

Thông thường các acquy kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạtđược khoảng từ 1,7 đến 1,85 V, khi acquy đã phóng điện hoàn toàn thì sức điện độngcủa acquy là 1,2 đến 1,4 V

Như vậy điện thế phóng điện của acquy kiềm thấp hơn của acquy axit Nếu ởacquy axit điện thế phóng điện bình quân là 2 V thì ở acquy kiềm chỉ là 1,2 V

2.3.3 Các thông số cơ bản của acquy

* Dung lượng:

Suất điện động của acquy chì thường có giá trị ổn định khoảng 2 V Khi suấtđiện động giảm xuống đến 1,85 V thì ta phải nạp điện lại cho acquy Mỗi acquy đều cómột dung lượng xác định

Dung lượng của acquy là điện lượng lớn nhất mà acquy có thể cung cấp được khi

nó phát điện Dung lượng của acquy được đo bằng ampe giờ (kí hiệu A.h) Ampe giờ

là điện lượng đo dòng điện có cường độ 1 A tải đi trong một giờ : 1A.h = 3600C.Một cách đơn giản để dễ hình dung về tham số dung lượng ắc quy như sau: Ah làtham số bằng số dòng điện phát ra (tính bằng Ampe) trong khoảng thời gian nào đó(tính bằng giờ) Ví dụ như ắc quy 10 Ah thì có thể phát một dòng điện 10A trong vòngmột giờ, hoặc 5A trong 2 giờ, hay 1A trong 10 giờ

Nhưng trên thực tế thì dung lượng ắc quy lại bị thay đổi tuỳ theo cường độ dòngđiện phóng ra Nếu dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng ắc quy còn lại càng nhỏ

và ngược lại, dòng điện phóng nhỏ thì dung lượng được bảo toàn ở mức cao

Ta thấy rằng khi ắc quy trong trạng thái còn có thể phóng điện thì cực dương làPbO2 còn cực âm là Pb quá trình phóng điện sẽ làm cho cả hai đều biến thành PbSO4.Nếu quá trình phóng điện diễn ra một cách từ từ thì các cực được lần lượt chuyểnthành PbSO4 mà chúng không bị đè lên nhau (tức là lớp PbSO4 đè lên lớp PbO2 ở cựcdương hoặc Pb ở cực âm), do đó dung lượng ắc quy không bị mất đi Nếu phóng điệnvới dòng điện lớn thì phản ứng xảy ra mạnh, PbSO4 sinh ra nhiều và bám vào các cực

đè lên các lớp PbO2 hoặc Pb khiến cho sau một thời gian ngắn thì chúng không cònphản ứng được nữa (do đã bị nằm phía trong của bản cực), điều đó dẫn đến dunglượng bình thực tế bị giảm đi

*Điện áp

Mặc dù điện áp của các ắc quy là một số chẵn của 2, ví dụ như ắc quy 2V, 6V,12V, 24V nhưng trên thực tế thì điện áp thông thường của các ắc quy không như vậy.Mức điện áp mà các ắc quy cung cấp thường lớn hơn so với định mức của chúng, ví dụnhư ắc quy 12V sẽ cung cấp mức điện áp tới 13V hoặc hơn Mức điện áp mỗi ngănbình acquy axit là 2,1 đến 2,2 V (±0,05V) Do tính chất cố hữu của ắc quy axit mà cácngăn của chúng không thể có mức điện áp cao hơn

Lưu ý rằng bảng trên đúng trong trường hợp acquy không mang tải, điều đó cónghĩa là nếu như kích điện đang hoạt động và bạn đo được điện áp các acquy là một sốlượng nào đó thì không thể lấy giá trị đó để đánh giá lưu lượng bình acquy còn lại (làbao nhiêu %) Điều này bởi vì khi phát dòng thì các acquy có điện áp tụt xuống,

trong trường hợp không phát dòng nữa thì mức điện áp đo được mới phản ánh đúngtrạng thái dung lượng còn lại của ắc quy Cũng theo bảng trên thì dung lượng acquy sẽcạn kiệt ở mức điện áp 10,5V, một số kích điện loại "điện tử" (tức là theo dõi đượcmức độ điện áp đầu vào) sẽ lấy mốc 10,7V để ngừng hoạt động nhằm tránh cho sự sửdụng ắc quy cạn kệt (gây hại cho ắc quy) Điều đó là hợp lý bởi nếu như sử dụng điện

từ ắc quy ở trạng thái cạn kiệt thì các bản cực của ắc quy sẽ nhanh bị hư hỏng, dẫn đến

hư hỏng chung cho toàn bộ ắc quy (trong một ắc quy 12V, chỉ một trong 6 ngăn hưhỏng thì toàn bộ acquy đó sẽ hư hỏng)

Hình 2-6 Biểu đồ thể hiện dung lượng acquy phụ thuộc vào mức điện áp

Hình 2-7 Thông số thể hiện mối quan hệ giữa dung lượng acquy và mức điện áp 2.3.4 Đặc tính phóng điện của acquy

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

Hình 2-8 Đặc tính phóng điện của acquy.

Từ đặc tính phóng của acquy ta có nhận xét:

Trong thời gian phóng từ t = 0 đến t = tgh(10h) sức điện động, điện áp và nồng

độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong giai đoạn này độ dốc của đường đặctính không lớn, ta gọi là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phéptương ứng với mỗi chế độ phóng điện của acquy

Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột, nếu ta tiếp tục choacquy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của acquy giảm rất nhanh Mặtkhác các tinh thể sunfat chì (PbO2) tạo thành trong phản ứng sẽ khô và rất rắn khó hòatan (bị biến đổi hóa học) trong quá trình nạp điện trở lại cho acquy sau này Thời điểmtgh là giới hạn dòng điện cho phép của acquy, các giá trị Ep,Up, ρ tại tgh được gọi làcác giá trị phóng điện của acquy

2.3.5 Đặc tính nạp của acquy

Hình 2-9 Đặc tính nạp của ắc quy.

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 nạpkhông thay đổi

Thời gian nạp no acquy kéo dài từ 2 – 3h, trong suốt thời gian đó hiệu điện thếtrên các bản cực acquy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Như vậy dunglượng thu được khi acquy phóng điện luôn nhỏ hơn dung dịch cần thiết để nạp noacquy

Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy giảm xuống và ổn định.Thời gian này cũng gọi là thời gian nghỉ của acquy sau khi nạp

Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tuổi thọ của acquy Dòngđiện nạp định mức với acquy là : In = 10%C10 Trong đó C10 là dung lượng củaacquy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10h acquy sẽđầy.

2.3.6 Các phương pháp nạp của acquy

Hiện nay có 3 phương pháp nạp cho ắc quy:

 Phương pháp dòng điện

 Phương pháp điện áp

 Phương pháp dòng áp

 Phương pháp nạp ắc quy với dòng điện không đổi

Theo phương pháp này, dòng điện nạp được giữ nguyên ở một trị số không đổitrong suốt thời gian nạp ( nạp một nấc) hoặc trong những trường hợp nạp vội cho phépnạp hai nấc tức là thay đổi cường độ dòng điện nạp một lần

Trong trường hợp nạp hai nấc thì nấc thứ nhất kết thúc khi thế hiệu mỗi acquy đơn đạt2,4 V ( bắt đầu sủi bọt khí acquy) Sau đó chuyển sang nấc thứ hai với cường độ dòngđiện nạp giảm acquy đi và kết thúc quá trình nạp ở cuối nấc này

Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng thích hợp với mỗi loại acquy,bảo đảm cho acquy được no Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡngsửa chữa để nạp điện cho acquy hoặc nạp sửa chữa cho các acquy bị sunfat hóa Vớiphương pháp này acquy được mắc nối tiếp với nhau và phải thỏa mãn điều kiện :

Un ≥ 2,7Naq (2.8)Trong đó : Un - điện áp nạp

Naq – số ngăn acquy đơn trong mạch

Trong quá trình nạp điện sức điện động của acquy tăng dần lên, để duy trì dòngđiện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch biến trở R Trị số giảm hạn của biến trởđược xác định theo công thức:

 Nhược điểm: Nạp với dòng điện không đổi là thời gian kéo dài và yêu cầucác acquy đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức

 Phương pháp nạp với điện áp không đổi

Phương pháp này yêu cầu acquy mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện thế củanguồn nạp không đổi và được tính bằng 2,3 – 2,5V cho mỗi ngăn đơn Hiệu điện thếcủa nguồn nạp phải được giữ ổn định với độ chính xác đến 3% và được theo dõi bằngvôn kế

Quá trình nạp kết thúc khi dòng nạp rất nhỏ, gần bằng không, còn thế hiệu nạpđạt 2,3 – 2,4 V trên một acquy đơn, nên quá trình nạp thực ra mới chỉ đến điểm bắtđầu sôi đã kết thúc , do đó không thể nạp no acquy bằng phương pháp này Như vậyphương pháp nạp Un = const không thể thay thế cho phương pháp nạp chủ yếu In =const đã nói ở trên mà chỉ có thể coi là phương pháp phụ

 Ưu điểm: Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn,dòng điện tự động giảm theo thời gian không cần phải theo dõi và điều chỉnh, thíchhợp với việc nạp bổ sung chi các acquy đang sử dụng

 Nhược điểm: Tuy nhiên với phương pháp này acquy không được nạp no, do

đó chỉ dùng để nạp bổ sung cho acquy trong quá trình sử dụng

Đối với ắc quy kiềm: quá trình nạp cũng giống như ắc quy axit, tuy nhiên do khảnăng chịu quá tải của ắc quy kiểm tốt hơn nên khi nạp ổn áp có thể nạp với dòng nạp

In = 0,1C20 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,25C20

2.4 Nguyên lý mạch nạp ắc quy

2.4.1 Nạp ắc quy bằng phương pháp điều chế độ rộng xung

Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) là phươngpháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sựthay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Các PWM khibiến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

 Nguyên lý hoạt động của PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn của tảimột cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiện vụ

đó trong mạch là các van bán dẫn

Trong khoảng thời gian 0 - t0, ta cho van bán dẫn mở, toàn bộ điện áp nguồn Udđược đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian t0 - T, cho van bán dẫn khóa, cắt nguồncung cấp cho tải Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T, ta sẽ cung cấp toàn bộ , mộtphần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn

âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải Ta có:

Ud = Umax.( t1/T) (2.11) Hay Ud = Umax.D (2.12)Với: Ud là điện áp ra tải

Umax là điện nguồn.

D là độ rộng xung

(Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM)

Hình 2-10 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra.

 Nguyên lý nạp ắc quy trong hệ thống pin mặt trời

Với một hệ thống nạp ắc quy để đảm bảo ắc quy được nạp đầy và tăng tuổi thọcủa ắc quy thì việc giám sát quá trình nạp là một vấn đề cần được quan tâm

Trong hệ thống điện mặt trời này sử dụng phương pháp nạp dòng áp:

 Giai đoạn 1: BĐKN điều khiển ngưỡng điện áp ngõ ra của bộ nạp sao chodòng nạp ở mức 1/10 dung lượng của bình ắc quy ( hoặc nhỏ hơn cũng được, do tínhchất không ổn định của hệ thống pin mặt trời ), nếu dòng nạp cao hơn ngưỡng 1/10dung lượng của ắc quy thì BĐKN phải điều chỉnh điện áp nạp sao cho dòng nạp vềngưỡng 1/10 dung lượng bình ắc quy, còn nếu như dòng này nhỏ hơn 1/10 dung lượngbình thì có thể dữ nguyên mức điện áp nạp đó, sau khi điều chỉnh được dòng nạp thìBĐKN sẽ giám sát điện áp trên hai cực của bình ắc quy Trong quá trình nạp điện ápcủa bình ắc quy sẽ tăng lên và dòng nạp sẽ giảm dần, do đó BĐKN phải liên tục điềuchỉnh điện áp ngõ ra của bộ nạp để đưa dòng nạp về ngưỡng 1/10 dung lượng bình ắcquy bằng cách tăng độ rộng xung của van nạp để điện áp ngõ ra của bộ nạp tăng lên.Khi điện áp trên hai cực của bình ắc quy tăng đến 13,8V thì kết thúc giai đoạn 1

 Giai đoạn 2: Trong giai đoạn này BĐKN điều chỉnh điện áp ngõ ra của bộ nạpsao cho bằng 13,8V và tiến hành nạp cho ắc quy với điện áp không đổi là 13,8V, trongquá trình nạp này dòng nạp sẽ giảm dần, và khi dòng nạp giảm về ngưỡng 50mA đến150mA thì kết thúc nạp

2.5 Giới thiệu về cảm biến dòng điện ACS712

Module cảm biến dòng điện ACS712 20A sử dụng ic ACS712ELC-20B dựa trênhiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành giá trị điện thế ACS712 là ic cảm biếndòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall chân ACS712 sẽ xuất ra một tín hiệu analog ởchân Vout biến đổi tuyến tính theo Ip(dòng điện cần đo)

Hình 2-11 Cảm biến dòng điện ACS712.

 Hiệu ứng Hall: Là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từtrường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điệnnói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó người ta nhận được hiệuđiện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall Tỷ số giữa hiệu thếHall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall Hiệu ứng Hall được giảithích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện Dòng điện này chính là

sự chuyển động của các điện tích (ví dụ như electron trong kim loại) Khi chạy qua từtrường, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùytheo điện tích chuyển động đó âm hay dương Sự tập trung các điện tích về một phíatạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall

Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trường, mà từ trường được sinh ra từ một dòngđiện bất kỳ, do đó có thể đo cường độ dòng chạy qua một dây điện khi đưa dây nàygần thiết bị đo Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn để tạo dòng chạytrong thanh Hall, một dây ra cho biết hiệu thế Hall Phương pháp đo dòng điện nàykhông cần sự tiếp xúc cơ học trực tiếp với mạch điện, hầu như không gây thêm điện