Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông

Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông Bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học thông qua dạy học phần điện hóa học ở trường trung học phổ thông

ĐẠ I HỌC QƯÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PoÊQoỉ

nr Ạ -* À i X *

Tên đê tài:

NGHIÊN CỨU THIÉT KẾ, ỨNG DỤNG CỤM THIÉT BỊ PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ CHO HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG

TỪ SÓNG BIẺN THÀNH ĐIỆN NĂNG

Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Mạnh Thắng

Đ A I H O C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I Tf?UNG ĨẨ M ỈH Ồ N G TIN ĨHƯ VIÊN

Hà Nội, 1/2010

MỤC LỤC

2 Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài 3

B Á O C Á O T Ỏ N G K Ế T

5 Phần II: Nguyên lý hoạt động của hệ thống lun trữ năng lượng 8

7 Phần r v : Cấu trúc phần mềm điều khiển cho hệ thống 19

11 Tóm tẳt các kết quả nghiên cứu chính của đề tài bằng tiếng Anh

Phụ lục 1: Mã phần mềm điều khiển cho thiết bị lưu trữ năng lượng tự

động (Chương trình viết cho VĐK PIC hãng Microchip - CCS Com piler V 4.033)

30

Danh mục một sô từ viêt tăt

I2C Inter-Integrated Circuit

ICSP In-Circuit Serial ProgrammingIEA International Energy Agency

ISP In System Programming

SPI Serial Peripheral Interface Bus

Danh sách những ngưò’i tham gia thực hiện đề tài

TÓM TẲT CÁC KÉT QUẢ CHÍNH CỦA ĐÈ TÀI

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu thiết kế, ứng dụng cụm thiết bị phát điện công suất nhỏ cho hệ thống

chuyển đổi năng lượng từ sóng biển thành điện năng

4 N hững kết quả chính

a Kết quả khoa học

Trong khuôn khổ đề tài, nhóm tác giả đã thực hiện các nội dung chính sau đây:

1 Đã nghiên cứu tổng quan các loại máy phát điện thuý lực loại nhỏ hiện có trên thịtrường

2 Lựa chọn được mô hình thiết kế với các tính năng phù họp cho thiết bị phát điện dùng năng lượng sóng quy mô phòng thí nghiệm

3 Thiết kế ứng dụng và lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng cho cụm máy phát điện từ năng lượng sóng qui mô nhò

4 01 báo cáo khoa học về kết quả tại hội nghị quốc tế về Cơ học và Tự động hóa ICEMA 2010

5 01 khóa luận tốt nghiệp kỹ sư Cơ điện tử đã được thực hiện trong quá trình thực hiện đề tài

b Kết quả úng dụng

Sản phẩm công nghệ: 01 thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng lượng từ sóng biển

thành điện năng

c Kltả năng ứng dụng thực tế

- Cung cấp năng lượng chiếu sáng cho các đơn vị ngoài khơi, hải đảo khai thác từ

năng lượng sóng biển;

- Cung cấp năng lượng chiếu sáng và sinh họat cho các hộ dân sống các khu vực miền núi có thể khai thác dòng chảy từ thượng nguồn;

- Bước đầu hình thành hướng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khai thác các nguồn năng lượng sạch

BÁO CÁO TÔNG KÉT

BÁO CÁO TỔNG KÉT Phần I: Mỏ' đầu - Muc tiêu của đề tài

Ngày nay, các nguồn năng lượng truyền thống đang bị khai thác tối đa Trong tình trạng tài nguyên cạn dần, cùng với lượng CO2 và các khí thái sinh ra trong quá trình sử dụng các nguồn tài nguyên truyền thống đã gây ô nhiễm nặng nề đến môi trường của các sinh vật sống trên toàn cầu Trước những thách thức trên, các hướng phát triển sử dụng nguồn năng lượng sạch và tái tạo đang được đặt ra như một nhiệm vụ cần thiết và cấp bách Một dạng năng lượng sạch đã và đang được nghiên cứu sừ dụng đó là năng lượng từ sóng biển

Năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng tái tạo, có sẵn trong thiên nhiên Việc sử dụng năng lượng sóng biển làm giảm thiều ô nhiễm môi trường so với nguồn năng lượng

từ nhiên liệu Hơn thế nữa, năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng rất lớn, vì có tới 70% diện tích bề mặt trái đất là nước, trong đó phần lớn là diện tích các đại dương Người

ta ước tính rằng, nếu 0,2% nguồn tài nguyên năng lượng sóng biển được sử dụng thì nó cung cấp đủ năng lượng cho toàn thế giới

Mục tiêu đặt ra của đề tài này là bước đầu nghiên cứu, thiết kế ứng dụng được cụm thiết bị có khả năng phát điện công suất nhỏ (quy mô phòng thí nghiệm) từ nguồn năng lượng sóng biển Sau phần mở đầu, Phần II của báo cáo giới thiệu tổng quan về nguyên lý biến đổi sóng biển thành điện năng với các nguồn năng lượng từ đại dương Tiếp theo là

những thông tin về các bộ biến đổi năng lượng sóng ( WEC - Wave Energy Converters)

Phần III nêu lên cấu trúc phần cứng của hệ thống chuyển đổi và lưu trữ điện năng từ năng lượng sóng biển cùng với tính năng kỹ.thuật, sơ đồ khối của tòng thành phần Phần cuối của báo cáo tóm tắt quy trình xây dựng mã nguồn của phần mềm nhúng điều khiển cho thiết bị lưu trữ năng lượng và khả năng ứng dụng sàn phẩm của đề tài

Phần II: Nguyên lý hoạt động của hệ thống lưu trữ năng lưọng

Sóng biển bắt nguồn từ quá trình truyền năng lượng mặt trời tới gió và sau cùng là nước Năng lượng mặt trời tạo ra gió, sau đó gió sẽ thổi qua biển tạo lên sóng và năng lượng sóng sẽ bị thất thoát ít trong quá trình di chuyển Một đặc tính quan trọng là sóng biển có mật độ năng lượng ổn định và có thể dự báo một cách chính xác, chính xác hơn nguồn năng lượng từ gió và mặt trời

Hệ thống biến đổi năng lượng sóng WEC có thể được phân ra thành 2 loại lớn: loại Turbine và loại Bouy Mỗi loại có một ưu nhược điểm khác nhau, ví dụ như loại Turbine hướng nghiên cứu đến cộng đồng trong khi loại Bouy cho hiệu quả kinh tế cao hơn Các hệ thống biến đổi năng lượng này hoạt động dựa trên một nguyên tắc cơ bản đó là

sử dụng năng lượng sóng biển làm quay động cơ của máy phát điện để sinh ra dòng điện Loại Turbine cũng có nhiều loại trong đó phổ biến hon cả là bộ biến đổi năng lượng sóng cột nước dao động o w e (Oscillating Water Column Wave Energy Converter) Bộ biến đổi này hoạt động dựa trên nguyên tấc sừ dụng sóng để điều áp không khí Buồng khí được đặt trên mặt nước và thông với buồng sóng Khi sóng lên xuống sẽ làm giảm hoặc tăng thể tích buồng khí trong khi lượng không khí bên trong được giữ không đồi Điều này sẽ làm tăng giảm áp suất trong buồng khí gây ra áp lực làm cho cánh quạt của động cơ đặt trong buồng khí quay Loại Bouy cũng có nhiều cấu trúc thiết kế khác nhau, trong đó phổ biến nhất là loại ống rỗng và loại bè Loại ống rỗng đặt nổi trên mặt nước và gồm nhiều khúc Các ống nối với nhau bời các thanh cứng có gắn piston Khi sóng đi qua sẽ làm hai phân khúc cạnh nhau chuyển động theo hai hướng khác nhau trên cùng một đường thẳng Khi đó piston sẽ

bị nén hoặc giãn làm cho động cơ của máy phát điện đặt bên trong quay sinh ra dòng điện

Hệ thống này đã được sử dụng ở Bồ Đào Nha Loại bè thì sừ dụng một bề mặt nổi trên mặt nước Khi sóng dâng cao hoặc hạ xuống nó sẽ kéo hệ thống piston đặt ngay dưới bè lên xuống theo Sự lên xuống của piston lảm cho động cơ đặt dưới mặt nước quay, sinh ra điện Loại này đã được sử dụng ờ bang Oregon, Mỹ Sau khi sinh ra dòng điện, trước khi cung cấp đến người tiêu dùng còn cần một hệ thống để lưu trữ nguồn điện năng đó và hệ thống dày cáp ngầm truyền tải điện năng đến người tiêu dùng N hư vậy một hệ thong biến đổi năng lượng sóng có thể được phân ra thành các phân hệ như sau: bộ biến đổi năng lượng sóng làm quay động cơ, máy phát điện, bộ lưu trữ điện năng và hệ thống truyền tải điện năng

Hình 1: Ví dụ về o w e theo mô hình cột nước dao động

Sóng biển tuy là nguồn năng lượng lớn, tuy nhiên nhược điểm của việc sử dụng năng lượng sóng là tính không liên tục Trong một thời điểm có thể có hoặc không có năng lượng sóng Vì vậy, việc lưu trữ điện nãng và mô hình hệ thống lưu trữ năng lượng mà đề tài nghiên cứu và thiết kế là một công đoạn quan trọng, nhằm giải quyết vấn đề này Hệ thống lưu trữ năng lượng trong khuôn khổ đề tài được thiết kế theo mô hình như sau:

Hình 2: Mô hình hệ thống lưu trữ năng lượng

Phần III: Thiết kế và chế tạo phần cứng cho hệ thống

Trong quá trình thực hiện, để mô phỏng cho năng lượng từ sóng biển, đề tài đã sử dụng dòng nước từ một bể chứa chảy xuống cánh quạt của turbine và làm cho cánh quạt quay Tính toán, thiết kế thể tích bể chứa và đường ống dẫn nước hợp lý để có lực như mong muốn không thuộc nội dung chính của đề tài này, (Nằm trong khuôn khổ đề tài phối hợp giữa Trường ĐHCN và Viện Cơ học - Viện KH&CN VN)

Năng lượng từ bộ thu sóng cũng như dòng nước từ một bê chứa làm cho cánh quạt của turbine quay Trục cánh quạt của turbine được gắn với trục rotor của motor điện Rotor quay trong motor làm từ trường biến thiên và sinh ra dòng điện xoay chiều

Như đã nói ờ trên, vì năng lượng sóng biển tuy rất lớn nhưng có tính không liên tục nên cần có một hệ thống lưu trữ năng lượng Để có thể nạp điện cho acquy thì dòng điện xoay chiều sau khi được sinh ra từ motor phát điện phải được chinh lưu thành điện áp một chiều Điện áp sau khi được chinh lưu và ổn áp được đưa vào mạch điều khiển nạp điện cho acquy để nạp điện cho acquy Mạch điều khiển mạch bao gồm mạch Buck Converter

và được điều khiển bởi vi điều khiển Hệ thống lưu trữ năng lượng gồm có 3 phần chính: module phát điện, module chinh lưu và ổn áp, module điều khiển nạp điện cho acquy Hoạt động cùa hệ thông có đạt được hiệu quà như mong muôn hay không là phụ thuộc vào sự chính xác trong quá trình thiết kế hệ thống Vì vậy, yêu cầu về chính xác trong quá trình thiết kế hệ phần cứng được đặt lên hàng đầu

m l M odule p hát điện

Để lựa chọn máy phát điện phù họp với điều kiện phòng thí nghiệm, vấn đề quan trọng nhất cần quan tâm là hệ thống turbine của máy Các yếu tố cơ bản khi lựa chọn turbine là công suất của turbine và cột nước của trạm thủy điện đáp ứng với điều kiện của phòng thí nghiệm Công suất của turbine cực nhỏ mong đợi nằm trong khoảng 10W đến 100W

Hiện nay có rất nhiều loại turbine khác nhau có cấu tạo, công suất và kích thước khác nhau và sử dụng trong các trường hợp chiều cao cột áp khác nhau Có các loại turbine sau: Turbine Francis, turbine Francis buồng hờ, turbine hướng trục (turbin Kaplan), turbine hướng trục trục ngang, turbine gáo, turbine xung kích hai lần, turbine tia nghiêng Đối với ứng dụng này, turbine Kaplan là một sự lựa chọn phù hợp vì turbine Kaplan được sử dụng rộng rãi trong thực tế Phạm vi cột nước dùng cho loại turbine này từ 1,5 đến 60m

Hình 2.-Thiết bị phát điện

Nguyên lý làm việc của turbine dạng này như sau: Dòng chảy từ thượng lưu chảy qua ống dẫn vào buồng xoắn, qua cột trụ, cánh hướng và vào bánh công tác theo phương hướng trục Sau khi trao đổi năng lượng với bánh công tác, dòng chảv tiếp tục chảy xuống buồng hút Bánh công tác của turbine gồm có bầu cánh hình trụ và chỗ lắp cánh có thể là mặt trụ hay mặt cầu Bánh công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu Nêu cánh được gắĩi cố định với bầu thì gọi là turbine hướng trục cánh cố định Nếu cánh được lắp với bầu có thể quay quanh trục của nó thì gọi là turbine hướng trục cánh xoay Cánh có dạng cong theo hai chiều (cong không gian), sổ cánh có thể từ 3-9 cánh

Hình 3: Turbine Kaplan III.2 M odule chỉnh luu và ổn áp

Mạch chinh lưu và ổn áp được tính toán và thiết kế nhầm mục đích tạo ra điện áp một chiều thích họp để nạp điện cho acquy từ điện áp xoay chiều được sinh ra từ thiết bị phát

Hình 5: Sơ đồ khối module chỉnh lưu và ổn áp Khối lọc nhiễu cao tần: Loại bò nhiễu cao tần bám theo đường điện xoay chiều

Khối chỉnh lưu cầu và lọc: Biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và làm cho điện áp một chiều phẳng hơn

Khối tạo dao động tạo sóng vuông: Biến điện áp DC thành AC với tần số cao

Khối biến áp xung: Có tác dụng cảm ứng điện áp xoay chiều AC từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp theo tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Khối chỉnh lưu và lọc đầu ra: Chuyển đồi điện áp xoay chiều tần số cao từ cuộn sơ cấp của biến áp xung thành điện áp một chiều DC và làm phẳng điện áp DC để sừ dụng

Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu và ổn áp

Hình 6 : Sơ đồ Dguyên lý mạch chỉnh lưu và ổn áp

Hình 7: Mạch chỉnh lưu và ổn áp

III.3 Module mạch nạp điện cho acquy

Mạch nạp được thiết kế để nạp cho Lead - Acid Acquy (12V, 5AH) Trong khuôn khổ

đề tài có sử dụng vi điều khiển hãng Microchip (USA) PIC16F877A để điều khiển dòng nạp cho acquy từ mạch Buck Converter PIC16F877A là loại vi điều khiển có tích hợp AD converter, PW M và bộ nhớ chương trình có đủ dung lượng để có thể lập trình cho ứng dụng Mạch nạp có kích thước nhỏ gọn, đáp ứng được yêu cầu an toàn cho acquy khi nạp

Có thể giám sát được dòng điện nạp cho acquy trong quá trình nạp khi giá trị dòng điện nạp cho acquy được hiện thị lên LCD Mạch nạp sử dụng hai Led để chỉ thị dòng nạp (Red Led biểu thị dòng nạp là high-current và Blue Led biểu thị dòng nạp là Low-cuưent)

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nạp điện cho acquy a) Vi điều khiển PIC16F877A

Vi điều khiển là bộ não của một hệ thống Vi điều khiển có nhiệm vụ điều khiển, phối hợp hoạt động của toàn bộ hệ thống, đảm bảo hệ thống làm việc chính xác, hiệu quả Do vậy việc lựa chọn vi điều khiển nào để làm bộ điều khiển trung tâm là rất quan trọng Qua tìm hiểu từ nhiều tài liệu và từ các ứng dụng khác nhau ta thấy PIC16F877A đáp ứng được các yêu cầu của ứng dựng

Vi điều khiển PIC16F877 với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ cho phép hoạt động tối đa là 20MHz với mỗi chu kì lệnh là 200ns Đặc tính cơ bản của Vi điều khiển này như sau:

- Sử d ụ n g cô n g n g h ệ tích hợp cao RISC C PU

- X ung clo ck vào có thể đạy đến 20M H z; C hu kỳ thực h iện lệnh là 200ns

- Bộ n h ớ F lash 8192 words, cho p h ép ghi 100.000 lần

- Bộ n h ớ SR A M 368 bytes

- Bộ n h ớ E E P R O M 256 bytes, cho phép ghi 1000.000 lần

- D ữ liệu có thể được lưu trữ trong Flash, E E PR O M trên 40 năm

- X ung clo ck nội từ 3 1kHz - 8M H z ; Tích họp bộ nguồn khởi động lại PO R ,

bộ tạo x u n g thời gian PW RT, bộ tạo dao động O ST , bộ đếm thời gian W D T

v à bộ reset B ro w n -o u t BOR

- N h iều ng u ồ n M aster clear với điện trở k éo bên trong

- Bộ bảo v ệ m ã chương trình Có 35 chân I/O

- 2 bộ so sánh tín hiệu analog

- 14 bộ chu y ển đổi ADC 10

bit TimerO v à tim er2 8bit, Tim er 1 16 bit; M odule C apture, C om parator, PW M

- G iao tiếp U S A R T tương thích ch uẩn R S-485, R S-232

- G iao tiếp I2C , SPI

fj Sĩaĩ.-a rot t I 1 1 1 *•

\ J S C 7 n , T

-ĩ Ĩ

520* VDO 1/m

nJL

ajliC.<A>JO

*AtfAN1

R A 3 /A M 3 V « » e -r

IO U T StA^A-MVSS/CrOUT RBC.1NTRBIRS^GM

Chi tiết h ơ n v ề đặc tính của vi điều khiển này có thể tham khảo từ D atasheet

tại link: h ttp ://\v w l.m icro ch ip COYÌV'dow nloads/'en/D eviceD oc/41 2 9 1 F p d f

b) Thiết kế mạch Buck Converter

Mạch Buck Converter bao gồm một Mosfet kênh N được điều khiển đóng/ngắt bởi vi điều khiển M osfet được kết nối với một cuộn cảm, một diode, một tụ điện

Hình 10: Sơ đồ mạch Buck Converter

Lưa chon cuôn cảm L

Việc lựa chọn được cuộn cảm có giá trị thích hợp đóng vai trò quyết định đến tính hoạt động chính xác của mạch Buck Converter

Biểu thức xác định giá trị cùa cuộn cảm:

f sw = tần số hoạt động của mạch Buck Converter

Thường chọn: Aỉinducĩor = 0 ,2 Ioutjnax = 0,2 1 = 0,2A

/ = ỉ 4- AIỉndu<:t°r- = 1 + — = 1 1 4

lPeak lou>ĩ_max ' 2 2

Lưa chon giá tri tu điên đầu vào

Ripple current in the caparator intput:

^C^Ripple h

in_max Vout)

— 2 , 0 3 A

Thông thường thì tụ được chọn sao cho có giá trị từ (10 - 22uF) / ampe đầu ra vì vậy

ta chọn tụ đầu vào có giá trị: c 4 = 47uF, 25V

Với tụ đầu vào thì chọn tụ loại polymer (nếu không có ta có thể sử dụng loại ceramic, aluminum electrolytic)

Lưa chon z iá tri tu điên đầu ra

Tụ đầu ra có tác dụng làm giảm độ overshoot and ripple voltage tại đầu ra của mạch Buck Converter Độ lớn của overshoot and ripple voltage sẽ không được hạn chế nếu điện dung của tụ đầu ra không đủ lớn

Overshoot output voltage AV:

AV = overshoot output voltage

c 5 = giá trị điện dung của tụ đầu raChọn: AV = 400 mV

Với tụ đầu ra thì chọn loại tụ tantalum là tốt nhất

Lưa chon diode

Đe lựa chọn được loại diode phù hợp ta cần căn cứ vào sự tiêu tán năng lượng

J W , = ( 1 - - ) 1 0 , 7 = 0 , 4 8 ^

Với: VD là điện áp rơi trên diode

Dòng và áp định mức của diode phải đàm bảo lớn hơn dòng /c

Chọn diode Schottly để hiệu suất của mạch cao hơn

Lưa chon Switch (MOSFET)

Với Power Converter dùng Integrated MOSFETs thì dòng ra chi từ 3-6A Để có dòng

ra lớn hơn thì phải dùng external MOSFETs

Nhiệt độ chuyển tiếp (Tjmax) lớn nhất không quá 115 - 120 c°

Nhiệt độ môi trường (TaMAx) lớn nhất là 60 c°

Nhiệt độ lăng lớn nhất của MOSFETs: TjRjsE = TjMAX - TaMAX

Mức tiêu tán năng lượng lớn nhất: PD_max= Tj^ 1SE, Q ịa - 6 2 C °/W

JA

Pd m a x = (115 - 60)/62 = 0.89 wVới các chức năng trên, đề tài đã chọn Mosfet IRF9540N

Sau khi lựa chọn các linh kiện, bo mạch đã được chế tạo và lắp ráp linh kiện được mô tả tại

Phần IV: Cấu trúc phần mềm điều khiển cho hệ thống

Toàn bộ phần mềm nhúng cho bộ điều khiển lưu trữ năng lượng được xây dựng trong bộ công cụ phát triển CCS c phiên bản 4.033 hãng CCS Int dành cho họ vi điều

khiển M icrochip PIC Công cụ nạp trình được thực hiện theo chuẩn nạp ICSP ( ln-Circuit

Serial Programming) và nạp trực tiếp chương trình vào vi điều khiển trên mạch (On

board) Giao tiếp giữa PIC16F877A với mạch nạp qua 06 pins, cụ thể là: MCLR - v c c - GND - PGD - PGC- PGM Thuật toán và chương trình điều khiển được xây dụng dựa trên đặc tính vật lý của acquy như sau:

IV 1 Đ ặc tính điện của acquy

Điện áp của acquy sẽ tăng nhanh chóng trong chu kỳ nạp và điện áp này sẽ nhanh chóng vượt qua mức 2.1 V/Cell Khi điện áp trên mồi Cell đạt 2.2 V thì oxygen sẽ được giải phóng ở cực dương và ở 2.3 V/Cell, Hydrogen sẽ được giải phóng từ cực âm cùa acquy Nếu điện áp trên mỗi Cell vượt qua mức 2.3V thì dòng điện đi qua mỗi Cell sẽ không có tác dụng nạp và làm cho acquy nóng lên Vì vậy, aquy 12V (có 6 Cell) sẽ có giới hạn điện áp trên là 13.8V (2.3V/Cell) và giới hạn dưới là 12.6V (2.1V/Cell) Nhưng trên thực tế thì giới hạn dưới chỉ là 12.5V

IV.2 X ây d ự n g phần mềm điều khiển

Trong quá trình xây dựng phần mềm điều khiển lưu trữ năng lượng, các chức năng

và module của vi điều khiển PIC được khai thác, cụ thể như bộ định thời Timer2, CCP module, ADC module Timer2 và CCP module được sử dụng để tạo ra tín hiệu PWM điều khiển hoạt động đóng ngắt của Mosfet Ngẳt Timer2 được sử dụng để thực hiện việc chuyển đổi ADC và điều khiển PI Một biến đếm Count được sử dụng và sẽ tăng sau mỗi lần ngất Timer2 xảy ra Bộ chuyển đổi ADC và bộ điều khiển PI sẽ được thực hiện sau 8 lần ngắt Timer2 Q uá trình chuyển đổi ADC và tính toán bộ điều khiển PI được thiết lập bởi việc set biến StartPI trong hàm ngẳt Timer2

Bộ điều khiển PI được sừ dụng để điều khiển dòng nạp cho acquy Bộ điều khiển PI bao gồm hai thành phần đó là thành phần tỷ lệ và thành phần tích phân Bộ điều khiển PI sẽ tính sai số so với dòng nạp yêu cầu dựa trên giá trị dòng feedback đo được trên kênh AN1 của vi điều khiển để từ đó có tin hiệu điều khiển dòng nạp thích hợp cho acquy Đầu ra của

bộ điều khiển PI được sử dụng để thiết lập duty cycle để điều khiển đóng/ngắt Mosfet

Tín hiệu ra của bộ điều khiển PI được xác định bởi công thức:

Error = Setpoint - Feedback Integral = Integral + Eưor

O ut-put = K p.E rro r + Kv In te g r a l

Trước tiên, sai số (Error) giữa giá trị dòng điện thực tế đo được từ chân AN1 (Feedback) và giá trị dòng điện mong muốn (Setpoint) được tính Nếu sai số này đủ nhỏ thì PWM duty cycle sẽ không cần điều chinh hoặc được điều chỉnh một lượng rất nhỏ mà dòng điện nạp cho acquy vẫn đáp ứng được yêu cầu

Thành phần p có giá trị tỳ lệ với giá trị sai số Error Nếu dòng điện nạp cho acquy có giá trị xấp xì bằng với giá trị dòng điện yêu cầu thì thành phần p chỉ cần điều chỉnh rất ít để

có được giá trị như mong muốn Ngược lại, nếu dòng nạp cho acquy có giá trị lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiều so với giá trị dòng yêu cầu thì thành phần p sẽ đưa ra đáp ứng lớn để có thể thu được dòng điện cỏ giá trị mong muốn

Dòng nạp được giám sát nhờ bộ điều khiển PI và vi điều khiển PIC16F877A Khi bắt đầu nạp, điện áp trên acquy sẽ được xác định và nạp với dòng điện không đổi 1A nếu điện

áp trên acquy có giá trị nhỏ hem 12.5V, nạp với dòng 0.5A nếu điện áp trên acquy có giá trị

từ 12.5V đến 13.8V và không làm gì nếu điện áp trên acquy lớn hơn 13.8V Sau mỗi giây điện áp trên acquy sẽ được đo một lần thông qua bộ ADC của 16F877A để từ đó xác định chế độ nạp Quá trình nạp sẽ diễn ra cho đến khi điện áp trên acquy đạt đến ngưỡng trên (13.8V) và khi đó dòng điện sẽ được turn o ff để tránh tĩnh trạng quá áp cho đến khi điện áp trên acquy giảm xuống dưới mức giới hạn dưới (12.5V) thì chuyển sang trạng thái nạp với dòng nhò (0,5A) cho đến khi điện áp trên acquy tăng đến giới hạn nạp trên, dòng lại được ngắt và quá trình nạp lại được lặp lại

Hình 12: Sơ đồ nạp điện cho acquy

Sơ đồ giải thuật nạp điện cho acquy:

Hình 13: Sơ đồ giài thuật nạp điện cho acquy