Thiết kế và thi công hệ thống solar tracker

Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện, tế bào quang điện, là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm

NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống Solar tracker” gồm những nội dung

chính sau:

- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C cho Arduino, phần mềm Arduino IDE

- Tìm hiểu pin năng lượng mặt trời

- Tìm hiểu về động cơ Servo MG996, Arduino Uno R3

- Tìm hiểu về mạch sạc tự động cho Ắc quy, mạch Inverter 12V DC – 220V AC

- Thiết kế và thi công hệ thống pin năng lượng mặt trời Solar tracker

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông và các thầy cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Điện tử, Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời

gian qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm

báo cáo tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học và công tác sau này

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành báo cáo

Đồ án tốt nghiệp

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Văn Vững

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng nghiên cứu trên Internet, sách báo, các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan, không sao chép hay sử dụng bài làm của bất kỳ ai khác Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố Tôi xin chịu hoàn toàn

trách nhiệm về lời cam đoan của mình trước Quý thầy cô và nhà trường

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Văn Vững

MỤC LỤC

NỘI DUNG ĐỒ ÁN 1

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 9

1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 9

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 15

1.3 Phạm vi nghiên cứu 15

1.4 Mục tiêu của đề tài 15

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER 16

2.1 Yêu cầu bài toán 16

2.2 Giải pháp thiết kế 16

2.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối 17

2.3.1 Sơ đồ khối 17

2.3.2 Chức năng các khối 18

2.3.3 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống 19

2.4 Lựa chọn linh kiện 19

2.4.1 Lựa chọn tấm pin mặt trời Solar 19

2.4.2 Thông số cơ bản: 20

2.4.3 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời 20

2.5 Lựa chọn linh kiện khối vi điều khiển 24

2.5.1 Giới thiệu về vi điều khiển Atemega 328 24

2.5.2 Ứng dụng của Arduino 26

2.6 Lựa chọn linh kiện khối cảm biến 26

2.6.1 Cấu tạo của quang trở 26

2.6.2 Một số ứng dụng của quang trở 27

2.7 Lựa chọn linh kiện khối Inverter 28

2.8 Bộ điều khiển sạc 34

2.9 Lựa chọn nguồn dự trữ Ắc quy 34

CHƯƠNG 3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 44

3.1 Ngôn ngữ lập trình 44

3.2 Phần mềm phụ trợ 44

3.2.1 Phần mềm Proteus 44

3.2.2 Phầm mềm Arduino 45

CHƯƠNG 4 THỰC THI THIẾT KẾ 50

4.1 Thiết kế phần cứng 50

4.1.1 Phần kết cấu cơ khí 50

4.1.2 Thiết kế thi công phần vi xử lý và cảm biến 52

4.1.3 Thiết kế thi công phần mạch sạc tự động cho Ắc quy 55

4.2 Thiết kế phần mềm 59

4.2.1.Lưu đồ thuật toán 59

4.2.2 Một số hình ảnh sản phẩm 60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 64

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 9

Hình 1.2 Hệ thống pin mặt trời trên quy mô lớn 10

Hình 1.3 Bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo 12

Hình 2.1 Solar Tracker 16

Hình 2.2 Hướng ánh sáng mặt trời 17

Hình 2.3 Sơ đồ khối 17

Hình 2.4 Pin mặt trời 19

Hình 2.5 Tinh thể Silic 20

Hình 2.6 Tinh thể bán dẫn loại N 21

Hình 2.7 Tinh thể bán dẫn loại P 22

Hình 2.8 Lớp tiếp giáp P-N 22

Hình 2.9 Vi điều khiển Atemega 328 24

Hình 2.10 Cấu tạo quang trở 26

Hình 2.11 Quang trở 27

Hình 2.12 Mạch cầu transistor 29

Hình 2.13 Tín hiệu sóng Sine wave 30

Hình 2.14 Ắc quy 34

Hình 2.15 Cấu tao điện phân trong bình Ắc quy 35

Hình 2.16 Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít 36

Hình 2.17 Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít 37

Hình 2.18 Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau 38

Hình 2.19 Các ngăn Ắc quy 38

Hình 2.20 Biểu đồ điện áp 39

Hình 3.1 Giao diện Proteus khi khởi động 44

Hình 3.2 Giao diện phần mềm Arduino 47

Hình 3.3 Ví dụ điều khiển Led và truyền thông nối tiếp 49

Hình 4.1.Khung giá đỡ bằng nhôm 50

Hình 4.2 Tấm Aluminium 51

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 52

Hình 4.4 Mạch in khối vi điều khiển Arduino 53

Hình 4.5 Mạch vi xử lý Atemega 328 53

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và cảm biến 54

Hình 4.7 Hình ảnh servo MG996 và mặt cắt 55

Hình 4.8 Hình ảnh khối mạch sạc tự động cho Ắc quy 56

Hình 4.9 Sơ đồ mạch in 56

Hình 4.10 Mạch sạc khi hoàn thành 57

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý Inverter 57

Hình 4.12 Mạch Inverter 58

Hình 4.13 Tín hiệu điện áp ra 220V AC đo trên Osilo 58

Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán 59

Hình 4.16 Hình ảnh sản phẩm 60

Hình 4.17 Hình ảnh sản phẩm 61

LỜI NÓI ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều ,nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay,chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên

Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, …) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn

Xã hội loài người không phát triển nếu không có năng lượng Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học ,kinh

tế, các chính trị gia,… và mỗi người chúng ta Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, than thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng

Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều công trình nghiêng cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai

mà còn là năng lượng của hiện tại Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, đây cũng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo tay, và tính kiên nhẫn của bạn Còn gì thú vị hơn khi bạn tự thực hiện và ứng dụng năng lượng mặt trời trong chính ngôi nhà của mình

Sau thời gian học tập và nghiên cứu cùng với sự nỗ lực, em đã hoàn thành

nhiệm vụ “Thiết kế và thi công hệ thống Solar tracker”.Em xin chân thành cảm

ơn thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình Đề

tài không tránh khỏi những thiếu xót, em mong được sự chỉ bảo của các thầy để sản phẩm hoàn thiện hơn và có thể ứng dụng vào thực tế

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi này gọi

là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực

tế, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới chưa tới như núi cao, ngoài đảo xa.Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, 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 có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện sẽ tạo ra điện năng phục vụ Pin năng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý: Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery) Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị điện

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

Việc sử dụng pin năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, góp phần tiết kiệm điện, giảm tải nhu cầu ngày càng tăng lên về năng lượng cho quốc gia.Hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp điện cho các thiết bị điện, sẽ góp phần giảm phụ thuộc quá nhiều vào lưới điện quốc gia, đồng thời tạo ra một năng lượng tái tạo xanh, sạch, độc lập và bảo vệ môi trường Diện tích lắp pin mặt trời càng lớn càng tạo ra nhiều điện năng

sử dụng

Hình 1.2 Hệ thống pin mặt trời trên quy mô lớn

Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống Solar Tracker bao gồm:

- Tấm pin mặt trời Solar cells

- Hệ thống điều khiển tấm Solar cells

- Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc - quy

- Hệ thống Inverter 12V DC – 220V AC

- Ắc - quy lưu trữ điện

- Khung, giá đỡ

- Dây cáp nối

Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời mang lại:

- Pin năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực

- Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng

- Tạo ra nguồn điện độc lập, xanh, sạch và bảo vệ môi trường

- Cung cấp nguồn điện liên tục kể cả khi điện lưới bị cắt

Việt Nam là nước giàu nguồn năng lượng mặt trời Hằng năm các vùng ở phía Bắc Việt Nam có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một số vùng miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng Nhưng rất ít người biết tận dụng điều kiện thuận lợi cuả năng lượng mặt trời vào sử dụng hằng ngày

Từ năm 1990, Phân viện Vật lý Tp.HCM đã triển khai các dự án điện mặt trời

áp dụng vào các công trình công cộng như nhà văn hóa, bệnh viện tại Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, nơi mà lưới điện và tình hình kinh tế của người dân còn gặp nhiều khó khăn Trên một số vùng hải đảo, như đảo Thiềng Liềng - xã Cần Gáo - huyện Cần Giờ, công trình điện mặt trời cũng đã cung cấp điện được cho hơn 50%

hộ dân sống trên đảo Đến năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buôn Chăm - xã Eahsol - huyện Eahleo - tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện mặt trời Viện năng lượng EVN cũng đã thực hiện dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9kW đặt tại làng Kongu 2 - huyện Đắk Lắk - tỉnh Kontum, góp phần cung cấp điện cho đồng bào dân tộc thiểu số

Từ thành công của những dự án này, Viện năng lượng EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin mặt trời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh) Đồng thời, thực hiện dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, huyện Lộc Bì, tỉnh Lạng Sơn

Năm 2000 - 2005, Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới (ĐH Đà Nẵng) cùng với tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời đã triển khai sản xuất các loại bếp năng lượng mặt trời cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2 - Phường Hòa Quý - Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng)

Tháng 6 năm 2007, tại Công viên nước Đà Nẵng đã diễn ra ngày hội nấu ăn bằng loại bếp này do Solar Serve tổ chức Ngoài ra, Solar Serve đã cung cấp miễn phí hơn 1.200 bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo tại vùng sâu vùng xa Đây

là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập nhằm giúp đỡ và phổ biến việc sử dụng năng lượng mặt trời cho người dân Các sản phẩm năng lượng mặt trời của Solar Serve đều do chính các người nghèo và người khuyết tật tại địa phương chế tạo

Hình 1.3 Bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo

Gần đây, Sở Khoa học và Công nghệ Tp.Đà Nẵng còn phối hợp với Công ty Quản lý vận hành điện chiếu sáng công cộng, quyết định thí điểm một năm trong việc lắp đặt 10 bộ đèn chiếu sáng đường phố bằng năng lượng gió và mặt trời tại đường Trường Sa, Tp.Đà Nẵng Được biết, Đà Nẵng là một trong những nơi được đánh giá là có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tốt nhất tại Việt Nam, với

177 giờ nắng trung bình trong tháng và cường độ bức xạ nhiệt đạt 4,89 kWh/m2/ngày Các nhà đầu tư dự án năng lượng môi trường đặc biệt quan tâm đến

Đà Nẵng Ngoài ra tại Việt Nam, còn có khá nhiều doanh nghiệp đầu tư sản xuất loại máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn Hà, Sunflower, Thái Dương Năng… Khác với các thiết bị được chế tạo dành cho người nghèo, đây là loại sản phẩm nhắm đến những hộ gia đình có thu nhập trung bình khá Mặc dù chi phí lắp đặt ban đầu khá cao (tối thiểu 5 triệu đồng), đây vẫn được xem là bài toán kinh tế cho người dân tại các thành phố có nắng quanh năm, khi mà giá điện vẫn liên tục leo thang Qua phỏng vấn một số khách hàng sử dụng, hầu hết đều rất hài lòng với sản phẩm này Bởi chỉ trong vòng tối đa 2 năm, số tiền điện tiết kiệm được từ máy nước nóng năng lượng mặt trời có thể bù lại tiền lắp đặt máy Năm 2012, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cùng nhà sản xuất đã thực hiện chương trình hỗ trợ cho các hộ gia đình 1 triệu đồng/bình nước nóng năng lượng mặt trời với số lượng lên đến 30.000 bộ

Để hòa điên từ hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới quốc gia thì chúng

ta sử dụng Thiết Bị Đồng Bộ AC, Hòa Lưới Điện, Chuyển đổi đồng bộ AC 220V

Đây là thiết bị hoàn hảo cho việc đưa năng lượng mặt trời, Năng Lượng Gió, Năng Lượng Sinh Thái dần thay thế năng lương hóa thạch( dầu, nguyên tử ) Vì xem xét vào thực tế của đất nước ta hiện nay khi mà nguồn điện được tạo ra chủ yếu nhờ thủy điện Đặc điểm của thủy điện là chỉ dồi dào vào mùa mưa còn mùa nắng thì hoàn toàn khô cạn Nhưng mặt trời thì ngược lại mùa mưa rất ít ánh sáng còn mùa năng thì rất dồi dào, việc ứng dụng hai đặc điểm này sẽ tạo ra nguồn năng lượng liên tục quanh năm là điều rất khả thi và hoàn toàn không gây ô nhiễm, giảm đi sự nóng lên của trái đất Khi vào mùa nắng ngoài trời nóng cháy người nhưng trong nhà của ta thì mát lạnh Thiết Bị hòa mạng mang lại lợi ích như thế nào: nâng cao hiệu suất thu năng lượng tránh hiện tượng dư thừa năng lượng vô ích: nếu ta nạp vào ắc quy thì ắc quy cũng sẽ đầy, các thiết bị điện có lúc dùng lúc không Những lúc như vậy việc xảy ra dư thừa năng lương vô ích Khi hòa vào lưới điện thì khi thừa năng lượng sẽ chia sẻ cho nơi khác hay đưa vào sản xuất, khi ta cần lại có điện

sử dụng

Bộ hòa lưới điện: là thiết bị lấy năng lượng mặt trời hòa chung vào lưới điện để chia sẻ cho mọi người hay những nơi sản xuất Khi mà thời gian tạo ra năng lượng khi có mặt trời chúng ta lại không dùng đến còn những lúc ta cần dùng thì không có ánh sáng Nếu ta lấy năng lượng mặt trời mà dự trữ vào ắc quy thì sẽ rất tốn kém, hiệu quả không cao Khi ta sử dụng thì việc các thiết bị dùng một công suất nhất định là chuyện không thể Ví dụ khi đến gần trưa ta phải nấu cơm, lúc nào cần giặt quần áo mới dùng máy giặt, hết nước cần bơm nước Vấn đề là chúng ta không thể dùng cố định một danh định công suất mà lúc thì sài công suất quá lớn, lúc thì chẳng sử dụng gì cả Như vậy ta tạo ra năng lượng việc hòa vào lưới điện sẽ rất có lợi vì khi ta không dùng ta chia sẻ cho các nhà máy sản xuất dùng hay các nhà lân cận sử dụng Còn khi ta cần dùng công suất lớn hơn nhiều thì cần được người khác chia sẻ hay nguồn điện quốc gia cung cấp thêm vào Nên việc hòa mạng sẽ đem lại lơi ích rất lớn và làm cho ta không bị hạn chế bởi quá trình sử dụng thiết bị điện trong sinh hoạt của chúng ta Tăng tuổi thọ cho các bình ắc quy vì không dùng thường xuyên Nếu không hòa mạng mà chỉ tạo ta nguồn điện với một công suất

danh định, giả sử trong trường hợp ta vận hành máy lạnh, hay động cơm bơm nước Ta có một máy phát điện mặt trời với công suất đả để vận hành như 2KW nhưng các động cơ này khi khởi động cần công suất lớn hơn để khởi động vì lúc khởi động momen quay của động cơ bằng 0 Do đó khi khởi động sẽ phải tốn công suất gấp 3 đến 4 lần công suất vận hành, nên sẽ làm máy phát tắt tức thời và bật tắt liên tục vì bảo vệ an toàn cho máy phát Gây không thể làm việc Nhưng khi hòa mạng thì khác khi công suất máy phát điện mặt trời thiếu thì nguồn quốc gia sẽ hỗ trợ và làm cho động cơ chạy, nhưng khi đã chạy ổn định rồi thì không cần nguồn quốc gia nữa mà năng lương dư thừa lại chia sẻ sang cho người khác sử dụng Nên khi mùa nắng không cần nhiều năng lượng từ nguồn quốc gia mà nguồn quốc gia giống như một nguồn hỗ trợ cho việc vận hành, điều hòa công suất cho mọi nơi Giảm đi tổn thất trên đường truyền tải do công suất tại nơi tiêu thụ giảm

Nếu chúng ta không hòa mạng thì khi không dùng năng lượng mặt trời sẽ phải nạp vào ắc quy như vậy làm chi phí tăng khổng lồ cho nguồn dự trữ ắc quy Mặt khác không có khai thác hết công suất và hiệu suất từ nguồn năng lượng mặt trời, vì bạn không thể mua ắc quy lớn đến mức tích trữ hết công suất tiêu thụ, lại làm cho Accu mau hư do nạp xả liên tục, gây hư hại ắc quy tăng chi phí đầu tư và chi phí vận hành giảm đi việc thu lại vốn và lợi nhuận từ việc tạo ra năng lượng bằng mặt trời Đặc điểm nữa liên quan đến việc tạo ra năng lượng điện từ mặt trời đó là công suất không đều theo thời gian trong ngày Nghĩa là vào buổi sáng và buổi chiều công suất thấp hơn nhiều lần công suất tại buổi trưa cho dù các Panel mặt trời có dùng hệ thống tracking định hướng theo mặt trời, do đó việc điều hòa bằng cách hòa mạng là một giải pháp trong tương lai và ít tốn kém trong việc bảo trì, vận hành

và hoạt động Khi hòa mạng điện lợi ích tiếp theo đó là giảm thấp thoát năng lượng trong việc truyền tải điện năng đi xa Các nhà máy điện thường ở rất xa thành phố,

mà thành phố là nơi tiêu thụ lượng điên khổng lồ, nên tiêu hao và thấp thoát năng lượng rất lớn trên đường dây Nay hòa mạng sẽ có nguồn năng lượng tại chỗ, sẽ giảm đi năng lượng truyền tải từ xa nên giờ với đường dây truyền tải năng lượng lớn bây giờ chỉ truyền tải ít năng lượng hơn, thì hiệu suất truyền tải lớn hơn do đó giảm thấp thoát năng lượng trên đường dây

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học ,kinh tế, các chính trị gia,… và mỗi người chúng ta Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều công trình nghiêng cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là

năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại

Việt Nam vốn là một trong những vùng có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao trên thế giới Hơn nữa, nước ta còn là một quốc gia đang phát triển, người dân nghèo còn nhiều, không phải ai cũng có khả năng sử dụng điện sinh hoạt với mức giá như hiện nay Vì thế, năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp hoàn toàn phù hợp nếu được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống Solar Tracker” được thực hiện trên vi

xử lý AVR Atemega 328 kết hợp với hệ thống cảm biến, sử dụng tấm solar cell 10W - 18V Hệ thống Solar Tracker hoàn toàn có thể được đưa vào hoạt động thực

tế với chi phí thấp, mang lại hiệu quả trong kinh tế

1.4 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

- Thiết kế, thi công phần cảm biến góc chiếu của ánh sáng mặt trời, cơ cấu chuyển động theo ánh sáng mặt trời để cho hiệu suất pin cao nhất

- Chế tạo phần nguồn sạc tự động cho Acquy 12V

- Thi công phần cứng, khung cho toàn hệ thống

- Hệ thống đảm bảo hoạt động ổn định, tính thực tiễn cao, có thể áp dụng trực tiếp vào thực tế

- Hệ thống đảm bảo tính thẩm mỹ, kết cấu khung chắc chắn

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER

2.1 Yêu cầu bài toán

- Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu, tìm hiểu về vi xử lý atemega 328, hệ thống mạch so sánh, mạch nghịch lưu áp Inverter

- Xây dựng một hệ thống Solar tracker hoàn chỉnh có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng mặt trời tối đa, biến đổi điện áp DC sang AC cung cấp cho phụ tải xoay chiều

2.2 Giải pháp thiết kế

Hệ thống bao gồm :

- 1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)

- 2 Bộ điều khiển hướng quay tấm pin mặt trời

- 3 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)

- 4 Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)

- 5.Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter)

- 6 Ắc quy (Battery)

Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là 1 vấn đề chúng ta

đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại 1 địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu khác nhau

Hình 2.1 Solar Tracker

2.3.2 Chức năng các khối

Tấm pin Solar:

Pin mặt trời hay pin quang điện, ký hiệu là PV là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), có tuổi thọ trung bình 30 năm

Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử

có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắcquy và phóng điện từ ắcquy ra các thiết bị điện một chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng

Bộ điều khiển sạc:

Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài - Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải

Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V) Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi

bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp

DC – AC Inviter:

Là bộ biến điện nghịch lưu Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ ăc-quy thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC) Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA – 10kVA Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra: dạng sóng hình sine, giả sine, sóng vuông, sóng bậc thang…

Nguồn dự trữ(Ắc-quy):

Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời Hệ thống có công suất càng

lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau

Khối cảm biến ánh sáng và vi xử lý:

Vi xử lý có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến quang trở sau đó xử lý để điều khiển động cơ servo, cảm biến quang trở sẽ so sánh giá trị điện trở giữa vùng sáng

và vùng tối để gửi giá trị điện trở thay đổi về cho vi xử lý

2.3.3 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống

Solar Tracker là một hệ thống pin năng lượng mặt trời, do đó hoạt động chủ yếu dựa vào năng lượng ánh sang mặt trời, khi có ánh sang mặt trời chiều vào, tấm pin biến đổi quang năng thành điện năng DC, dòng điện đi qua bộ phận điều khiển sạc để sạc cho bộ lưu trữ điện Ắc-quy, thiết bị điện hay tải sẽ sử dụng trực tiếp nguồn điện của pin năng lượng mặt trời tạo ra, khi nắng yếu hoặc không có nẳng điện áp yếu thì hệ thống tự động chuyển sang nguồn dự trữ Ắc-quy để cấp cho tải

Vì trong một ngày, mặt trời quay quanh quỹ đạo nên ánh nắng mặt trời sẽ bị thay đổi góc chiều, chính vì vậy ta cần sử dụng một khối điều khiển sao cho tấm pin quay theo hướng của mặt trời, tia nắng tạo với mặt phẳng tấm pin Solar một góc 90 độ khi đó tấm pin nhận được lượng ánh sáng tối đa nhất

2.4 Lựa chọn linh kiện

2.4.1 Lựa chọn tấm pin mặt trời Solar

Ta sử dụng tấm pin mặt trời 10W, với quy mô nhỏ sử dụng cho các thiết bị điện hay tải công suất nhẹ

Hình 2.4 Pin mặt trời

2.4.3 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn ( thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Để hiểu về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2 Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên

tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Hình 2.5 Tinh thể Silic

Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt

có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể

Hình 2.6 Tinh thể bán dẫn loại N Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N :(Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại

P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này Liệu các điện tử tự do của bán dẫn

N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không Vì khi các điện tử

di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm

Hình 2.7 Tinh thể bán dẫn loại P

Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện

1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống

tự do

Hình 2.8 Lớp tiếp giáp P-N

Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn Điện trường tạo

ra ở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là

từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòng điện tử sẽ không được phép chạy theo hướng ngược lại Để lí giải vì sao bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần tĩnh điện

Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Khi chiếu ánh sáng

vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ ( và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết Sẽ không thể có chuyện gì nếu không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp Đó là lí do giải thích vì sao nếu

ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện Nhưng cặp e

và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p.kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ Với Si ( B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34 KW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12% Tại sao lại ít vậy Câu trả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này

Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp Vấn đề là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt để ánh sáng có thể

đi qua Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá

xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới

kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm

vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Có người nói: năng lượng làm ra một hệ thống pin mặt trời lớn hơn năng lượng nó thu được trong quá trình dùng Một thực tế là việc sử dụng năng lượng Mặt trời ở nước ta còn quá xa vời là do ta ỷ vào nguồn năng lượng thủy điện ( cũng là một loại năng lượng sạch) nhưng thực tế nhu cầu tiêu thụ điện và sự khổ

sở vì tình trạng các hồ chứa xuống dưới mức chết đã gióng một hồi chuông nhẹ tới

suy nghĩ này của toàn bộ mọi người

2.5 Lựa chọn linh kiện khối vi điều khiển

2.5.1 Giới thiệu về vi điều khiển Atemega 328

Hình 2.9 Vi điều khiển Atemega 328

Sử dụng vi điều khiển AVR Atemega 328, lập trình trên nền ngôn ngữ Arduino đơn giản cho người lập trình.Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega 328

là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB RAM) Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ imer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở

rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz

Ngày nay vi điều khiển Atmega328 thực sử được sử dụng phổ biến từ các dự

án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ, tiêu tốn ít năng lượng (chế độ hoạt động : 0.2 mA, chế độ ngủ: 0.1 μA, chế độ tích kiệm: 0.75 μA) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùng AVR Và không thể không nhắc tới sự thành công của Vi điều khiển Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini những sản phẩm dẫn dắt chúng ta vào thế giới mã nguồn mở để hoàn thành một chương trình trong “nháy mắt”

+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ

học, dễ hiểu

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

2.5.2 Ứng dụng của Arduino

Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lý linh hoạt, phần cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác Do đó có thể ứng dụng trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản từ các thiết bị báo cháy báo ga, đo các thông số môi trường (nồng độ khí, nhiệt đô, độ ẩm, ánh sáng ), hay phức tạp hơn là xử lý máy in 3D Arduino còn được ứng dụng trong công nghệ giải trí như thiết kế robot dò đường, tay cầm điều khiển Arduino còn có thể kết hợp ghép nối với các thiết bị điện tử khác như kết nối với máy tính nhúng raspberry để thu thập

dữ liệu gửi lên mạng internet, hay có thể ghép nối với các board mở rộng như WiFi, Ethernet Shield,

2.6 Lựa chọn linh kiện khối cảm biến

2.6.1 Cấu tạo của quang trở

Khối cảm biến sử dụng 4 quang trở Điện trở quang hay quang trở, photoresistor, LDR (Light-dependent resistor, tiếng Anh còn dùng cả từ photocell),

là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếu vào Đó là điện trở phi tuyến, phi ohmic

Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao, và không có tiếp giáp nào Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức một vài trăm Ω

Hình 2.10 Cấu tạo quang trở

Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng giải phóng các electron liên kết của chất bán dẫn để trở thành các electron quang dẫn do tác dụng của bức xạ thích hợp

So sánh hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài:

 Phải được kích thích bằng ánh sáng kích thích thích hợp

 Quang điện trong: Các electron vẫn ở trong chất bán dẫn khi có ánh sáng kích thích

 Quang điện ngoài: Các electron bứt ra khỏi kim loại khi bị kích thích

 Công thoát của chất bán dẫn nhỏ hơn công thoát của kim loại

Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ.Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng

Hình 2.11 Quang trở

2.6.2 Một số ứng dụng của quang trở

Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, như trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối.Cảm biến quang trở rất quen thuộc, quang trở là một loại "vật liệu" điện tử rất hay gặp và được sử dụng trong những mạch cảm biến ánh sáng Có thể hiểu một cách dễ dàng rằng, quang trở là một loại điện trở có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng Nếu đặt ở môi trường có ít ánh sáng, có bóng râm hoặc tối thì điện trở của quang trở sẽ tăng cao

còn nếu đặt ở ngoài nắng, hoặc nơi có ánh sáng thì điện trở sẽ giảm Từ đó ta dựa vào giá trị điện trở này để điều khiển động cơ thay đổi góc quay cho tấm pin Solar

2.7 Lựa chọn linh kiện khối Inverter

2.7.1 Những đặc tính cơ bản của inverter (kích điện):

Khác với loại “kích điện” mà người ta đã dùng để đánh bắt cá hàng loạt trước đây (mà cũng chính từ các loại đó mà có lẽ mới có tên là kích điện), loại kích điện dùng trong dân dụng có các đặc tính kỹ thuật cơ bản sau:

- Sử dụng ắc quy (12, 24 hay 48V DC…)

- Điện áp đầu ra có đặc tính giống như điện áp của lưới điện quốc gia: 220V, xoay chiều, tần số 50 Hz

Các đặc tính này xuất phát từ yêu cầu thông thường về nguồn điện của các thiết

bị sử dụng điện trong dân dụng hàng ngày Tuy không phải tất cả các thiết bị dùng điện đều có yêu cầu trên, nhưng để tương thích với phần lớn các thiết bị điện nên chúng bắt buộc phải có các thông số như vậy

Dưới đây liệt kê một số nguyên lý cơ bản của kích điện dân dụng:

Biến đổi một bước:từ điện một chiều sang điện xoay chiều 220V thông qua các transitor công suất và một biến áp sắt từ ở tần số 50 Hz (bước biến đổi DC-AC) Biến đổi hai bước: từ điện một chiều ắc quy ở mức thấp (12, 24V DC) sang điện một chiều ở mức điện áp cao (khoảng 300V DC) thông qua mạch dao động tần

số cao và biến áp xung (bước biến đổi DC-DC), rồi từ điện một chiều (lúc này có điện thế cao) dao động thành điện xoay chiều 220V AC (tức bước biến đổi DC-AC)

Tuỳ loại nguyên lý mà kích điện được tạm phân ra thành hai loại: Loại biến đổi một bước và loại biến đổi hai bước – thường gọi là kích “điện tử”

Loại biến đổi một bước:

Nếu muốn tăng điện thế thì cần phải có cuộn biến áp, mà biến áp lại chỉ hoạt động được với dòng điện xoay chiều Vậy để biến đổi thành dòng điện xoay chiều thì có thể dùng một công tắc như hình bên phải (phía trên) và một biến áp: Khi chuyển đổi nhanh và liên tục công tắc sang các vị trí lên và xuống, ta sẽ có dòng điện lần lượt chạy vào nửa cuộn dây sơ cấp biến áp, tại cuộn thứ cấp (ghi chữ output) sẽ có điện áp xoay chiều có tần số tương ứng với tần suất chuyển mạch Tất

nhiên chẳng ai lại dùng tay để vận hành kích điện một cách liên tục như vậy nên người ta đã sử dụng các linh kiện điện tử để thay cho việc chuyển mạch này Loại kích điện một bước thường được biết đến khá lâu trước đây

Loại biến đổi hai bước:

Đối với loại kích “điện tử”, mạch điện cấp thứ nhất: (DC-DC) cũng có nguyên

lý giống như kích điện từ, nhưng thay vì hoạt động ở tần số 50 Hz thì kích loại này

sử dụng tần số cao hơn nhiều lần để có thể sử dụng loại biến áp xung có hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn Sau biến áp xung, dòng điện xoay chiều tần số cao được nắn thành điện một chiều để phục vụ mục đích biến đổi thành điện xoay chiều với tần số 50Hz phù hợp với nhu cầu sử dụng Tuỳ theo công suất của kích điện mà kích điện tử có thể dùng một hay nhiều các biến áp xung.Cấp thứ 2: (DC-AC) của kích điện tử là biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều với tần số phù hợp với lưới điện quốc gia (50Hz) Phần mạch biến đổi thành xoay chiều ở cấp tiếp theo này không cần sử dụng biến áp nữa bởi chúng không cần tăng thêm điện thế, mà chỉ cần dùng các linh kiện đện tử thay đổi chiều đi qua tải của dòng điện đầu ra Vậy làm thế nào để biến đổi điện một chiều thành xoay chiều được? Lấy một ví dụ đơn giản: Bạn có một ắc quy, muốn cấp dòng xoay chiều qua một cái bóng đèn thì

có thể nối hai cực ắc quy đó vào bóng đèn, rồi ngắt dây ra đổi ngược lại cực ắc quy, rồi lại đổi xuôi, đổi ngược cứ thế trong thời gian cực nhanh, bạn sẽ tạo ra một dòng

điện xoay chiều đi qua bóng đèn

Hình 2.12 Mạch cầu transistor

Trên thực tế thì nguyên lý mạch điện tử biến đổi điện một chiều thành xoay chiều lúc này qua cầu H Ban đầu dòng điện đi từ (+) đến transistor phía trên - bên trái, đi qua tải theo chiều từ trái sang phải rồi đi qua transistor phía dưới bên phải

để đi vào cực âm Sau đó dòng điện đi từ cực dương đến transistor phía trên bên phải, đi qua tải theo chiều từ phải qua trái rồi đi qua transistor phía dưới bên trái để

đi vào cực âm Dòng điện đi như vậy theo các chiều khác nhau sẽ cho ra dòng xoay chiều trên tải Việc dẫn các dòng theo các chiều như vậy được thực hiện nhờ sự điều khiển các transistor

Dạng sóng đầu ra:

Phần lớn các kích “điện tử” luôn có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với loại kích còn lại nếu cùng công suất do không sử dụng biến áp sắt từ có kích thước lớn, một phần còn lại các kích điện tử có thể có trọng lượng lớn bởi chúng sử dụng biến áp sắt từ thông thường dành cho việc nạp ắc quy

Hình 2.13 Tín hiệu sóng Sine wave

Trên hình, có ba dạng sóng hình cơ bản thường thấy trong kích điện: Đường màu xanh là sóng hình sin (hay thường gọi là “sin chuẩn”); Đường màu màu vàng

là dạng sóng xung vuông; Đường màu đỏ là mô phỏng theo sóng sin Về biên độ sóng, mức điện áp của sóng sin ở lưới điện 220V dân dụng tại đỉnh trên là 310V còn dạng mô phỏng sin (modified sine wave) và loại xung vuông (square wave) thì

có mức điện áp thấp hơn

Chính vì các mức điện áp đỉnh này nên việc đo điện áp đầu ra của các kích điện bằng đồng hồ hiển thị số loại bình thường sẽ không chính xác bởi chúng thường đo theo mức điện áp đỉnh rồi chia căn 2, muốn đo chuẩn thì nên dùng một số loại đồng

hồ kim hoặc đồng hồ số có chức năng đo RMS Lưu ý thêm về điều này là nếu bạn dùng kích dạng mô phỏng hoặc dạng xung vuông với một ổn áp kiểu như LiOA thì

sẽ cho ra mức điện áp cao với mức năng lượng lớn và chắc chắn sẽ gây cháy các thiết bị sử dụng điện trong nhà

Theo cách thức hoạt động của các loại kích điện mà chúng có dạng sóng đầu ra khác nhau Ta thử xem với các loại nguyên lý nào sẽ cho ra dạng sóng gì trong các loại dưới đây: Đối với các loại kích điện từ (kích cơ): có các dạng nguyên lý hoạt động:

Loại thứ nhất: có nguyên lý giống như hình đã minh họa cho nguyên lý kích điện trình bày phía đầu bài này - nhưng có một mạch tạo ra mẫu sóng sin rồi sau đó khuyếch đại chúng lên bằng các transistor công suất và biến áp Về nguyên lý thì cách này có thể thực hiện được, nhưng trong thực tế thì người ta không hoặc hiếm khi áp dụng bởi chúng làm tổn hao nhiều công suất cho cái hình sin đẹp đẽ ấy – dẫn đến hiệu suất của bộ kích điện là rất thấp Lý do hiệu suất thấp bởi nguyên lý này hoạt động giống như một bộ amply công suất lớn mà đặc tính của các transistor thông thường có tổn hao thấp nếu như chỉ ở hai trạng thái: “đóng” (không cho dòng

đi qua) và “mở” (cho dòng đi qua hoàn toàn theo khả năng của transistor đó), còn ở trạng thái mở một phần (biến thiên để cho được ra dạng hình sin hoặc dạng khuyếch đại âm thanh) thì transistor sẽ toả ra nhiều nhiệt và hiệu suất sử dụng điện

là thấp Bạn có chấp nhận sử dụng một kích điện với hiệu suất rất thấp (cỡ dưới 50%) chỉ để ra được dạng sóng sin cực chuẩn hay không?

Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động này lại thường áp dụng cho các loại kích tạo ra dạng sóng vuông hoặc mô phỏng sóng sin (hai loại còn lại trong hình trên) Do sự hoạt động của transistor để tạo ra sóng vuông hoặc mô phỏng sin là đóng hoặc mở hoàn toàn nên với nguyên lý này cho các loại kích 'không sin' là phù hợp

Đặc điểm nhận biết dạng kích hoạt động theo nguyên lý này là ở cuộn sơ cấp (cuộn có dây kích thước rất lớn để có thể cho dòng đến vài chục Ampe chạy qua)

có 3 đầu dây ra: Một đầu là điểm giữa được nối với cực dương hoặc âm của ắc quy,

đầu còn lại nối với các transistor - giống như hình trình bày nguyên lý ở phía đầu bài này

Loại thứ hai: tạo ra dạng sóng sin bằng cách sử dụng cầu H để cho ra dạng sóng xoay chiều ở mức điện áp thấp (mức điện áp ắc quy) rồi sử dụng biến áp sắt từ

để biến đổi chúng thành mức điện áp 220V AC sử dụng thông thường Nguyên lý này thường thấy ở nhiều loại kích thông dụng trên thị trường như các thương hiệu: MAXQ, Apollo, Netcca, Hồ Điện

Đặc điểm nhận biết dạng kích hoạt động theo nguyên lý này là các đầu vào sơ cấp của biến áp sắt từ chỉ có hai đầu dây (thay vì 3 như loại sóng vuông hoặc mô phỏng)

Đối với loại kích điện tử: việc tạo ra dạng sóng hình sin được thực hiện nhờ vào việc điều tiết tại 4 transistor đầu ra (cầu H - như đã trình bày ở phần trên) So với loại kích điện từ đã nói ở trên thì do điều tiết dạng sóng ở phần điện đầu ra nên dòng điện cần điều chỉnh nhỏ hơn (ví dụ 1000VA thì dòng chỉ khoảng 5A), do vậy nhiệt hao phí thấp hơn so với điều chỉnh ở phần điện áp thấp (12,24 V) với dòng vài chục Ampe - chính vì vậy mà kết hợp với việc sử dụng các biến áp xung có hiệu suất cao ở tầng trước nên các kích điện loại này có hiệu suất cao, có thể đạt trên 80% đến trên 85% hoặc cao hơn nữa tuỳ thuộc vào công suất và loại tải Một

số thương hiệu cho loại kích này là: Thành Công, Hi-Lite và một số loại UPS online của các hãng sản xuất khác

Trong cả hai loại trên chất lượng sóng sin hoàn toàn phụ thuộc vào việc điều khiển các transistor, nếu như các bước điều khiển được băm càng nhỏ (xem hình bên) thì sóng càng có chất lượng tốt Không những thế, việc điều chỉnh điện áp và dạng sóng tuỳ theo mức tải (công suất), loại tải (thuần/kháng/dung/kết hợp) cũng rất phức tạp, chính do vậy mà chỉ với các nguyên lý cơ bản trên nhưng các hãng sản xuất khác nhau lại có cách làm khác nhau (hoặc ngay một hãng cũng có cách thiết

kế khác nhau để phù hợp với nhu cầu sử dụng của từng đối tượng) và cũng có chất

lượng điện đầu ra khác nhau

Ảnh hưởng của dạng sóng không sin tới thiết bị tiêu thụ điện: Bởi dạng sóng điện đầu ra của các kích điện không hoàn toàn giống với dạng sóng của lưới điện

dân dụng (tức hình sin) nên chúng có thể gây ảnh hưởng đến một số thiết bị sử dụng điện, một số thiết bị khác lại hoàn toàn không ảnh hưởng bởi dạng này

Dạng sóng xung vuông thường gây khó khăn cho sự hoạt động các thiết bị điện

có tính chất cảm kháng – chủ yếu là các động cơ điện (ở trong quạt điện, điều hoà,

tủ lạnh, máy bơm nước…) Nếu như với sóng sin chuẩn, các động cơ điện hoạt động một cách “mượt mà” thì với dạng sóng xung (mô phỏng hình sin) thì các động

cơ thường làm hiệu suất kém hơn, phát tiếng kêu và có thể gây nóng hơn bình thường Nguyên nhân có lẽ do sự chuyển đổi mức điện áp của sóng vuông khiến từ trường giữa các cuộn dây của động cơ cũng thay cũng thay đổi đột ngột, dẫn đến roto (phần quay của động cơ) làm việc cũng có momen thay đổi đột ngột và dẫn đến hiệu suất làm việc kém Tuỳ thuộc vào chất lượng và các đặc điểm riêng các động cơ điện mà có thể có ảnh hưởng sau:

Nếu động cơ có chất lượng không cao (định vị cuộn dây không chắc chắn, lõi sắt không chặt…), do sự biến thiên đột ngột giữa các mức điện áp nên cuộn dây và lõi thép không chặt sẽ bị rung, gây ồn, phát nóng hơn

Nếu roto có quán tính không lớn (đa số các quạt bàn, quạt cây đều nằm trong trường hợp này) thì chính bản thân các roto quay không đều (thời điểm điện áp xung cao thì roto có mô men lớn – nhưng nó chưa kịp quay theo phù hợp thì mô men đó bị ngắt bởi đến thời điểm điện áp xuống thấp, do quán tính thấp nên tốc độ quay lại giảm đi, rồi lại đến mức điện áp cao…cứ như vậy liên tục nên roto quay một cách giật cục không đều như đối với dòng điện có dạng sin chuẩn (tuy nhiên điều này không nhìn được bằng mắt thường bởi sự quay giật cục đó xảy ra rất nhiều lần trong một giây)

Đối với loại động cơ có trọng lượng roto lớn thì hiện tượng quay giật cục xuất hiện rõ nét trong thời điểm khởi động và sẽ giảm dần đến mức tối thiểu khi đã đạt tốc độ quay Như vậy trong đa số trường hợp khi sử dụng quạt với kích điện, bạn nên hạn chế sự giảm hiệu suất làm việc bằng cách sử dụng với tốc độ cao nhất của quạt Ngoài các thiết bị điện có sử dụng động cơ điện trực tiếp được nêu trên, các thiết bị điện còn lại hầu như hoạt động tốt với các dạng sóng xung Thật vậy, các thiết bị như ti vi, máy tính, màn hình máy tính, bóng đèn compact, đèn tuýp có