THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI... THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ

ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.

Họ vầ tên sinh viên: NGUYỄN CÔNG HOÀNG MSSV: 08153038

Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ

Niên khóa: 2008-2012

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 6/2012

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ

ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin được gửi lời cám ơn chân thành đến

Ban Giám Hiệu và các thầy cô trong trường trường Đại Học Nông Lâm TPHCM Đặc biệt là các thầy cô trong khoa Cơ khí – Công nghệ, chuyên ngành Cơ - Điện tử,

đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho chúng

em trong suốt quá trình học tập vừa qua

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Phúc đã dành nhiều thời gian công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn, động viên và nhắc nhở chúng em hoàn thành tốt luận văn này

Qua đây, chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè và người thân xung quanh đã động viên, giúp đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình học tập

TP.HCM, tháng 6 / 2012 Nhóm sinh viên gồm:

NGUYỄN CÔNG HOÀNG ĐẶNG BẢO DUY

TÓM TẮT

Đề tài “THIẾT KẾ , CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” là đề tài nghiên cứu cách sử dụng năng lượng mặt trời để điều khiển hệ thống tười nhỏ giọt phục vụ trong nông nghiệp

Đề tài có tính khả thi cao, ứng dụng công nghệ xanh vào phục vụ sản xuất, tiết kiệm được năng lượng, tiết kiệm nước, sử dụng nguồn năng lượng phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới nước ta

Thời gian nhận đề tài là ngày 10 tháng 2 năm 2012, ngày hoàn thành là ngày 30 tháng 5 năm 2012 Đề tài được thực hiện tại nhà riêng của bạn Duy và phòng trọ của bạn Hoàng

Nội dung sơ lược của đề tài như sau: Đề tài ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời thông qua việc sử dụng tấm pin mặt trời biến ánh sáng mặt trời thành điện năng điều khiển hệ thống tưới nhỏ giọt Hệ thống tưới nhỏ giọt gồm 2 phần chính: phần cơ khí và phần điện tử Đặc biệt tập trung chủ yếu ở phần điện tử bao gồm: một tấm pin mặt trời, một bộ solar controller, một acquy, mạch hẹn giờ điều khiển 3 van điện từ 2/2 (1 van chính, 2 van phụ ), một mạch nhiệt độ và một mạch ẩm độ Điện năng từ pin mặt trời qua bộ solar controller nạp vào acquy, acquy sẽ cung cấp cho hệ thống

Với nội dung như trên thì chúng em đã tiến hành thực hiện theo trình tự sau :

 Tìm hiểu hiểu hệ thống tưới nhỏ giọt

 Thiết kế mô hình hệ thống tưới nhỏ giọt với 1 bình chứa , 3 van điều khiển ON,OFF

 Xây dựng và mô phỏng mô hình bằng pro-E

 Tìm hiểu về nguồn năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời

 Xây dựng bảng thông tin dùng vi điều khiển hiển thị led 7 đoạn các thông

số lưu lượng tưới qua van chính, nhiệt độ, độ ẩm không khí xung quanh

thống, hệ thống điều khiển xuống các van điện

Kết quả nhóm em thu được là 1 mô hình thu nhỏ của hệ thống tưới nhỏ giọt tự động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Có bảng led hiện thị thông tin về lưu lượng tướicủa van chính, nhiệt độ, độ ẩm của môi trường xung quanh, hiện thị thời gian tưới(ở mô hình này tính theo giây(s) để dễ kiểm tra)

Nội dung luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: MỞ ĐẦU

Chương 2: TỔNG QUAN

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Trang

Trang tựa……… i

Lời cảm ơn……… ii

Tóm tắt………iii

Mục lục……….v

Danh sách các bảng và các hình……… viii

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU……….1

1.1 Sơ lược về đề tài……….1

1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài………1

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN……….2

I Giới thiệu về năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời……… 2

1 Tổng quan về nguồn năng lượng trên thế giới……… 2

2 Nguồn năng lượng mặt trời……… 3

3 Ứng dụng của năng lượng mặt trời……… 4

4 Pin năng lượng mặt trời……… 5

4.1 Cấu tạo………6

4.2 Nguyên lý hoạt động……… 8

4.3 Hệ thống pin năng lượng mặt trời………12

4.3.1 Thiết kế 1 hệ thống pin mặt trời……… 12

4.3.1.1 Sơ đồ khối……….12

4.3.1.2 Tính toán nguồn điện pin mặt trời………12

4.3.1.2.1 Tính phụ tải điện theo yêu cầu……….12

4.3.1.2.2 Tính năng lượng mặt trời cần thiết Ec……… 13

4.3.1.2.3 Công suất dàn pin năng lượng mặt trời……….13

4.3.1.2.4 Tính dung lượng bộ acquy………13

II Sơ lược về hệ thống tưới nhỏ giọt hiện nay……….16

1 Tổng quan về tưới nhỏ giọt……… 16

2 Lợi ích của việc tưới nhỏ giọt……… 18

3 Hệ thống tưới nhỏ giọt kiểu Israel……… ………18

4 Áp dụng vào Việt Nam……… ……….20

III Phần các linh kiện điện tử……… ……… 21

1 Nguyên lý và cấu tạo của van điện từ (van 2/2)……….……… 21

1.1 Cấu tạo……… ……… 21

1.2 Nguyên lý hoạt động……… ……….21

1.3 Thông số kỹ thuật………22

2 Khái quát về vi điều khiển Pic 16F877a……… ……… 22

2.1 Các đặc tính nổi bật……….22

2.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân……… 24

2.3 Tổ chức bộ nhớ……… 29

2.3.1 Bộ nhớ chương trình……… 29

2.3.2 Bộ nhớ dữ liệu……….30

2.4 Các thanh ghi đặc biệt……….31

3 Sơ lược về cảm biến nhiệt độ LM35……… 34

3.1 Cấu tạo………34

3.2 Nguyên lý hoạt động……… 35

4 Cấu tạo và đặc tính của cảm biến độ ẩm HS1101……… 36

5 Cấu tạo và đặc tính của IC 555……… 37

6 Nguyên lý hoạt động của mạch đo độ ẩm……… 40

7 Sơ lược về led 7 đoạn……… 41

7.1 Quét led 7 đoạn……… 42

8 Sơ lược về IC dịch 74HC245……… 45

2 Phương pháp nghiên cứu……… 44

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……….46

I Kết quả thiết kế và thi công đề tài……… ……… 46

1 Kết quả thiết kế phần cơ khí……… ……… 46

2 Các mạch điện tử……… 49

2.1 Kết quả thi công mạch đo nhiệt độ môi trường xung quanh sử dụng LM35 tích hợp với mạch hẹn giờ hiện thị ra led 7 đoạn……… 49

2.1.1 Mạch hẹn giờ……….…49

2.1.1.1 Phần hiển thị……… ……….49

2.1.1.2 Phần hiệu chỉnh……….……….50

2.1.2 Thiết lập modun bằng led 7 đoạn……….…… 50

2.1.3 Kết quả phần mô phỏng và thi công mạch thực tế……… ……… …… 52

2.1.3.1 Mạch mô phỏng………52

2.1.3.2 Mạch nguyên lý và mạch thưc tế……… 52

2.2 Kết quả mạch đo độ ẩm môi trường xung quang sử dụng cảm biến HS1101 hiện thị ra led 7 đoạn……… 54

2.2.1 Kết quả phần mô phỏng và thi công mạch thực tế… ……….54

2.2.1.1 Mạch mô phỏng………54

2.2.1.2 Mạch nguyên lý và mạch thực tế……… 55

II Kết quả khảo nghiệm lưu lượng nước……….……… 56

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ……….63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC……… 66

DANH SÁCH BẢNG VÀ CÁC HÌNH ẢNH

Bảng 2.1 : So sánh IC 8051 với Pic 16F877a

Bảng 2.2 :Chức năng các chân của Pic 16F877a

Bảng 2.3 : Bảng quy đổi tần số ứng với mỗi giá trị tần số tương đối

Bảng 3.1 : Bảng kết quả khảo nghiệm tấm pin mặt trời ngày 30/5/2012

Bảng 4.1 : Bảng mã hex cho led 7 đoạn anode chung

Bảng 4.2 : Bảng số liệu sự thay đổi của h(t)

Bảng 4.3 : Kết quả lượng nước giảm khi xả van trong vòng 40s

Hình 2.1 :Biểu đồ thống kê nguồn năng lượng sử dụng trên toàn thế giới năm 2008 Hình 2.2 :Mặt trời

Hình 2.3 : Nhà máy điện mặt trời

Hình 2.4 : Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián

tiếp năng lượng Mặt Trời

Hình 2.5 : Một tấm pin mặt trời Hình 2.6 : Cấu tạo tấm pin mặt trời

Hình 2.7 : Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời

Hình 2.8 : Một số loại panel pin mặt trời

Hình 2.9 : Nguyên lý hoạt động pin mặt trời

Hình 2.10 : Hệ mức năng lượng (E 2 >E 1 )

Hình 2.11 : Các vùng năng lượng

Hình 2.12 : Hiện tượng quang điện bên trong

Hình 2.13 : Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 2.14 : Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời

Hình 2.15 : Acquy khô kín hiệu K&V

Hình 2.16 : Bộ điều khiển quá trình nạp acquy Việt Linh

Hình 2.19 : Mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp 

Hình 2.20 : Một cuộc thi thiết kế xe chạy bằng năng lượng mặt trời cho sinh viên Hình 2.21 : Vùng rễ tích cực tập trung

Hình 2.22 : Lợi ích của vùng khô

Hình 2.23 : Lợi ích của vùng ướt

Hình 2.24 : Vùng ướt thieo từng loại đất

Hình 2.25 :Thành phần trong đất

Hình 2.26: Công nghệ hiện đại được Israel ứng dụng nhiều trong nông nghiệp

Hình 2.27 : Các ống nhỏ như mao mạch dẫn tới từng gốc cây

Hình 2.28 : Trong một nhà kính trồng cà chua ở Israel

Hình 2.29 : Tưới nước tiết kiệm ở Việt Nam

Hình 2.30 : Van điện từ 2/2

Hình 2.31 : Sơ đồ cấu tạo van điện từ

Hình 2.32 : Hình dạng của vi điều khiển Pic 16F877a

Hình 2.33 : 8051 Hình 2.34 : 16F877a

Hình 2.35 : Sơ đồ chân của Pic 16F877a

Hình 2.36 : Sơ đồ nguyên lý của Pic 16F877a

Hình 2.37 : Bộ nhớ chương trình của pic 16F877a

Hình 2.38 : Bộ nhớ dữ liệu của pic 16F877a

Hình 2.39 : Thanh ghi STATUS Hình 2.40 : Thanh ghi OPTION_REG Hình 2.41 : Thanh ghi tùy chọn

Hình 2.42 : Thanh ghi điều khiển ngắt INTCON

Hình 2.43 : Cấu tạo bên ngoài LM35 Hình 2.44 : Cấu tạo bên trong LM35 Hình 2.45 : (a) biến dung, (b) hình dạng bên ngoài cảm biến, (c) đường cong đặc tính Hình 2.46 : IC 555

Hình 2.47 : Sơ đồ nguyên lý IC 555 Hình 2.48 : Cấu trúc bên trong IC 555

Hình 2.51: Sơ đồ khối của IC 74HC245

Hình 4.1 : Mô hình cơ khí được thiết kế và mô phỏng bằng Pro/E Hình 4.2 : Khung của mô hình

Hình 4.3 : Sơ đồ van điện từ trong hệ thống

Hình 4.4 : Đầu nhỏ giọt trong mô hình

Hình 4.5 : Mô hình khi hoàn thiện

Hình 4.6 : Lưu đồ giải thuật hẹn giờ

Hình 4.7: Modun 8 led 7 đoạn anode chung mô phỏng bằng Protues Hình 4.8 : Mạch đo nhiệt độ tích hợp với mạch hẹn thời gian

Hình 4.9 : Khối nguồn 5Vdc

Hình 4.10 : Khối IC dịch 74HC245

Hình 4.11 :Mạch nguyên lý của mạch đo nhiệt độ tích hợp hẹn thời gian Hình 4.12 :Mạch thục tế của mạch đo nhiệt độ tích hợp hẹn thời gian Hình 4.13 : Mạch mô phỏng đo độ ẩm

Hình 4.14 : Mạch nguyên lý của mạch đo độ ẩm

Hình 4.15 : Mạch thực tế của mạch đo độ ẩm

Hình 4.16 : Mô phỏng lưu lượng hệ thống

Hình 4.17 :Mực nước ban đầu trong bình (chiều cao h = 35cm)

Hình 4.18 : Mực nước sau khi xả 5s còn 30cm

Hình 4.19 : Mực nước sau khi xả 10s còn 25cm

Hình 4.20: Mực nước sau khi xả 15s còn 20,7cm

Hình 4.21: Mực nước sau khi xả 20s còn 16,6cm

Hình 4.22: Mực nước sau khi xả 25s còn 13,3cm

Hình 4.23: Mực nước sau khi xả 30s còn 10,4cm

Hình 4.24: Mực nước sau khi xả 35s còn 7,7cm

Hình 4.27 : Biểu đồ q out theo từng khoảng thời gian xả

Chương 1

MỞ ĐẦU

1 Sơ lược về đề tài

Các nguổn năng lượng sử dụng hiện nay đang dần cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường và không có khả năng tái tạo lại Trong khi đó nguồn năng lượng mặt trời vẫn chưa được sử dụng đúng tiềm năng, không gây ô nhiễm, thân thiện với môi trường

Đề tài ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời thông qua việc sử dụng tấm pin mặt trời biến ánh sáng mặt trời thành điện năng điều khiển hệ thống tưới nhỏ giọt

Hệ thống tưới nhỏ giọt gồm 2 phần chính: phần cơ khí và phần điện tử

Đặc biệt tập trung chủ yếu ở phần điện tử bao gồm: một tấm pin mặt trời, một bộ solar controller, một acquy, mạch hẹn giờ điều khiển 3 van điện từ 2/2 (1 van chính, 2 van phụ ), một mạch nhiệt độ và một mạch ẩm độ

Điện năng từ pin mặt trời qua bộ solar controller nạp vào acquy, acquy sẽ cung cấp cho hệ thống

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:

 Tìm hiểu hiểu hệ thống tưới nhỏ giọt

 Thiết kế mô hình hệ thống tưới nhỏ giọt với 1 bình chứa , 3 van điều khiển ON,OFF

 Xây dựng và mô phỏng mô hình bằng pro-E

 Tìm hiểu về nguồn năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời

 Xây dựng bảng thông tin dùng vi điều khiển hiển thị led 7 đoạn các thông

số lưu lượng tưới qua van chính, nhiệt độ, độ ẩm không khí xung quanh

 Hệ thống nút button để nhập các thông số cài đặt chu kỳ tưới của hệ thống, hệ thống điều khiển xuống các van điện

Chương 2

TỔNG QUAN

I Giới thiệu về năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời

1 Tổng quan nguồn năng lượng thế giới

Hình 2.1 :Biểu đồ thống kê nguồn năng lượng sử dụng trên toàn thế giới năm 2008

Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, thủy điện đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định tỷ lệ nghịch với nhu cầu

Trong bối cảnh hiện nay, đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ sự phát triển bền vững, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu từ bên ngoài, đặc biệt

là dầu mỏ, trở thanh vấn đề đặc biệt quan tâm ở quốc gia, buộc mọi quốc gia phải phát triển mạnh ngành năng lượng, điều đó góp phần gây ra hệ quả nghiêm trọng đến môi trường sinh thái Việc tiếp cận sử dụng những nguồn năng lượng mới đang được các nhà khoa học và các nước trên thế giới quan tâm, đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời

2 Nguồn năng lượng mặt trời

Hình 2.2 :Mặt trời

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Mặc dù khi đi qua bầu khí quyển bao quanh Trái đất, bức xạ mặt trời bị phản xạ và bị bầu khí quyển hấp thụ, nhưng vẫn có khoảng 1,05 x 1018 KWh năng lượng mặt trời tới được bề mặt trái đất trong một năm, nghĩa là gấp nhiều lần năng lượng mà con người khai thác được trên trái đất Như vậy

có thể nói năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, lại là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường

Trong khi các dạng năng lượng khác như than đá, dầu hoả, khí đốt vừa gây ô nhiễm môi trường lại đang ngày càng cạn kiệt nên từ nhiều thập kỷ qua nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam, đã nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ

Việt Nam là nước nhiệt đới, tiềm năng bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, đặc biệt ở các vùng miền phía Nam có nhiều nắng (số giờ nắng khoảng 1600 - 2600 giờ/năm)

Ngoài ra Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được

Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển

3 Ứng dụng của năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời chủ yếu đề cập đến việc sử dụng bức xạ năng lượng mặt trời cho những mục đích thực tế Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Hình 2.3 : Nhà máy điện mặt trời

Tuy nhiên, tất cả các các nguồn năng lượng tái tạo khác, như năng lượng địa nhiệt và thủy triều đều lấy năng lượng từ mặt trời Năng lượng mặt trời được chia làm hai loại: chủ động và thụ động phụ thuộc vào cách ta thu nạp, chuyển đổi và phân phối chúng

Hình 2.4 : Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách

gián tiếp năng lượng Mặt Trời

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn

4 Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước

Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hình 2.5 : Một tấm pin mặt trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1% Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946

Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958 Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt

là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…

4.1 Cấu tạo

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi

trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 2.6 : Cấu tạo tấm pin mặt trời

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình

Czochralski Pin mặt trời dơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc 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, từ 8% - 11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ

bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể 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 tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 2.7 : Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời

Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại

Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng

lượng tạo ra

Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Hình 2.8:Một số loại panel pin mặt trời

Hình 2.10 : Hệ mức năng lượng (E 2 >E 1 )

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần

số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2

Phương trình cân bằng năng lượng:

hV = E2-E1 (2.1)

Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 2.11 : Các vùng năng lượng

Phương trình hiệu ứng lượng tử:

eV+hv→ e- + h+ (2.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:

hv > Eg = EC - EV (2.3)

Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:

λC = hc/( EC – EV) (2.4)

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng

photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e-- h+, tức là tạo

ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong

Hình 2.12 : Hiện tượng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

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

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

 Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa

Khi electron được kích 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 kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K,

vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện

sử dụng được

Hình 2.13 : Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

4.3 Hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hệ thống pin mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các tấm pin mặt trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và các thiết bị điều phối điện năng…

4.3.1 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời

Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao

Hình 2.14 : Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời

4.3.1.2 Tính toán nguồn điện pin mặt trời

Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân bằng điện năng trung bình hằng ngày

4.3.1.2.1 Tính phụ tải điện theo yêu cầu

Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2, t3,…

Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:

E ng = P 1 t 1 +P 2 t 2 +P 3 t 3 +…= (2.5)

Từ E ng nếu nhân với số ngày trong tháng hoặc trong năm ta sẽ tính được nhu cầu

điện năng trong các tháng hoặc cả năm

4.3.1.2.2 Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết E c

Năng lượng hằng ngày dàn pin mặt trời cần phải cấp cho hệ được xác định theo công thức :

Trong đó: η = η 1 η 2 η 3 =

η 1 : hiệu suất thành phần thứ nhất (ví dụ: bộ biến đổi điện)

η 2 : hiệu suất thành phần thứ hai (ví dụ: bộ điều khiển)

η 3 : hiệu suất nạp phóng điện acquy

4.3.1.2.3 Công suất dàn pin mặt trời

Công suất của dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại (Peak Watt, Wp), là công suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn

  (2.7)

Trong đó :

E β cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang

η (T) là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T

4.3.1.2.4 Tính dung lượng bộ acquy

Dung lượng của bộ acquy được tính theo công thức:

Hình 2.15 : Acquy khô kín hiệu K&V

4.3.1.3 Các bộ điều phối năng lượng

Các bộ điều phối năng lượng gồm bộ điều khiển quá trình nạp, phóng điện cho Acquy và bộ biến đổi DC/AC Bộ điều khiển là thiết bị có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và phóng điện của bộ acquy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của acquy thông qua các tín hiệu đèn báo trên bộ điều khiển

Hình 2.16 : Bộ điều khiển quá trình nạp acquy Việt Linh

Bộ biến đổi điện (inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều từ dàn pin mặt trời hoặc từ bộ acquy thành dòng điện xoay chiều

Hình 2.17 : Inverter của Việt Linh

4.4 Ứng dụng của pin năng lượng mặt trời

Hình 2.18 : Trạm vũ trụ ISS

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Ứng dụng của pin mặt trời phát triển rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay pin mặt trời được ứng dụng trong nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hằng ngày thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Hình 2.19 : Mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp

Ngày nay hệ thống giáo dục nước ta đang tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận với năng lượng mặt trời thông qua các cuộc thi

Hình 2.20 : Một cuộc thi thiết kế xe chạy bằng năng lượng mặt trời cho sinh viên

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng các trạm điện dùng pin mặt trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân, nên việc sử dụng năng lượng mặt trời rộng rãi còn hạn chế

II Sơ lược về hệ thống tưới nhỏ giọt hiện nay

1 Tổng quan về tưới nhỏ giọt

 Nguyên lý của tưới nhỏ giọt

 Vùng rễ tích cực tập trung Rễ tập trung trong vùng đất xác định và qua

đó tiết kiệm được năng lượng của cây trồng Nâng cao hiệu quả của việc hấp thu nước và chất dinh dưỡng.Phát triển độ ẩm và độ thông thoáng tối ưu cho đất

Hình 2.22 : Lợi ích của vùng khô. 

 Những lợi ích của vùng ướt Duy trì độ ẩm liên tục dọc theo rễ cây trồng Cho phép không khí duy trì trong vùng ướt Tập trung rễ tích cực của cây trồng

trong vùng ướt Dải ướt liên tục sẽ tạo ra khối lượng cho rễ tích cực của cây Ngăn ngừa sự phát triển độ mặn của đất trong vùng ướt

Hình 2.23 : Lợi ích của vùng ướt

 Vùng ướt theo từng loại đất Hình dạng của vùng ướt tuỳ thuộc vào đặc tính cấu tạo của đất Đối với đất nhẹ, nước phân bổ hẹp và sâu hơn Đối với đất nặng, nước phân bổ có hình giống như hình cầu

Hình 2.24 : Vùng ướt theo từng loại đất

 Khoảng cách giữa các đầu nhỏ giọt trên ống nhỏ giọt. 

Yêu cầu khoảng cách dripper cho đất nặng: 0.50 - 1.00 m

Yêu cầu khoảng cách dripper cho đất vừa : 0.30 - 0.50 m

Yêu cầu khoảng cách dripper cho đất nhẹ : 0.20 - 0.30 m

Khoảng cách đầu nhỏ giọt phải được cân nhắc với kết cấu đất và yêu cầu của cây trồng

2 Những lợi ích của việc tưới nhỏ giọt

Tưới nhỏ giọt với lưu lượng thấp mang lại:

 Độ ẩm đất đồng đều và tối ưu

 Tạo sự thông thoáng hoàn hảo cho đất

 Nâng cao hiệu quả sử dụng nước

 Nâng cao hiệu quả hấp thu dinh dưỡng

Hình 2.25 :Thành phần trong đất

3 Hệ thống tưới nước nhỏ giọt kiểu Israel

Bí quyết của nông dân Israel là phát triển những công nghệ và thiết bị hiện đại như tưới nhỏ giọt, sử dụng các van điều khiển tự động, lọc nhiều tầng, dùng vòi phun

áp lực thấp và phun mưa loại nhỏ Nhờ tưới nhỏ giọt, nông dân tiết kiệm được 60% lượng nước

Hình 2.26: Công nghệ hiện đại được Israel ứng dụng nhiều trong nông nghiệp

Các cánh đồng của Israel được trang bị mạng lưới đường ống dẫn nước, có các ống nhỏ như mao mạch dẫn tới từng gốc cây Hệ thống này được điều khiển bằng máy tính, tự động đóng mở van tưới khi độ ẩm của rễ cây đạt tới mức nhất định Hệ thống tưới nhỏ giọt này còn kiêm luôn nhiệm vụ bón phân Người ta pha phân bón vào bể chứa nước và phân bón theo mạng lưới tới từng bộ rễ cây khi tưới Với những loại cây cần tưới cả trên mặt lá, người ta lại dùng hệ thống phun sương

Hình 2.27 : Các ống nhỏ như mao mạch dẫn tới từng gốc cây

Tưới nhỏ giọt như thế vẫn chưa đủ tiết kiệm Họ còn trồng cấy trong nhà kính để ngăn không cho nước bốc hơi lên trời Ngoài ra, nhà kính còn ngăn chặn sâu bệnh, giúp tăng sản lượng và chất lượng của hàng hóa Israel nhận được rất nhiều đơn đặt hàng mua giống, từ các loại hạt cho tới gen, trứng và tinh trùng của động vật

Hình 2.28 : Trong một nhà kính trồng cà chua ở Israel

4 Áp dụng vào Việt Nam

Với bản chất thông minh và ham học hỏi, những năm gần đây, rất nhiều nông dân Việt Nam đã bắt đầu mày mò (có thể có hướng dẫn của cơ quan khuyến nông) tự tạo ra những hệ thống tưới kiểu israel bằng những nguyên vật liệu sẵn có và đã gặt hái những thành tựu nhất định:

 Giảm chi phí nhân công gánh nước, không còn phải kéo ống, thu ống

 Giảm chi phí điệm dùng để bơm nước

 Giảm đáng kể lượng nước tưới

Hình 2.29 : Tưới nước tiết kiện ở Việt Nam

Hiện tại còn một số khó khăn như sau:

 Chưa thể dùng được những mao dẫn để nhỏ giọt theo đúng nghĩa Các mao dẫn này thường xuyên bị tắc nghẽn do nguồn nước tưới chưa được lọc sạch Khi bị tắc, công tác bảo trì sẽ tốn kém tiền bạc và công sức đào lên để thay thế

 Không chỉ mao dẫn bị tắc mà theo thời gian, các ống dẫn lớn cũng bị đóng cặn, cản trở nước lưu thông đều khắp, gây ra tình trang có những gốc cây không hề được tưới

 Chưa tưới tự động được hoàn toàn, vẫn cần người đóng mở van theo cách thủ công Chúng ta chắc chắn sẽ còn cải tiến nhiều hơn nữa để có những hệ thống hiện đại

và hoàn hảo

III Phần các linh kiện điện tử

1 Nguyên lý và cấu tạo của van điện từ (van 2/2)

1.1 Cấu tạo

Trên thị trường có rất nhiều loại van điện từ với nhiều kích cỡ và nguồn điện kích hoạt khác nhau Ở trong đề tài này nhóm sử dụng 1 van điện từ có đường kính nối ra là 27mm và 2 van có đường kình nối ra là 21mm Nguồn điện kích hoạt là nguồn điện 12 Vdc

Hình 2.30 : Van điện từ 2/2

Cấu tạo bên trong của van như sau:

Hình 2.31 : Sơ đồ cấu tạo van điện từ

2 Khái quát về vi điều khiển Pic 16F877a

Hình 2.32 : Hình dạng của vi điều khiển Pic 16F877a

2.1 Các đặc tính nổi bật

 Sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU

 Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giản

 Chu kỳ lệnh thực hiện trong 200ns

 Bộ nhớ chương trình Flash 8k x 14 words

 Bộ nhớ ram 368x8 bytes

 Bộ nhớ EFPROM 256x 8 bytes

 Khả năng xử lý của vi điều khiển:

 Khả năng ngắt (14 nguồn ngắt trong và ngắt ngoài )

 Ngăn nhớ Stack được phân chia làm 8 mức

 Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

 Nguồn khởi động lại (POR)

 Bộ tạo xung thời gian (PWRT) và bộ dao động (OST)

 Bộ đếm xung thời gian (WDT)

 Có mã chương trình bảo vệ

 Phương thức cất giữ SLEEP

 Công nghệ CMOS FLASH /EEPROM nguồn mức thấp, tốc độ cao

 Thiết kế hoàn toàn tĩnh

 Mạch chương trình nối tiếp có 2 chân

 Khoảng điện áp hoạt động từ 2v đến 5.5v

 Các đặc tính ngoại vi bao gồm các 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 vào xung 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 địa chỉ

 Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD,

W, CS ở bên ngoài

 Các đặc tính Analog

 Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

 So sánh Pic 16F877a với Vi điều khiển 8051

Hình 2.33 : 8051 Hình 2.34 : 16F877a

Bảng 2.1 : So sánh IC 8051 với Pic 16F877a

Ta có thể thấy đặc tính kỹ thuật của Pic 16F877a hơn hẳn Vi điều khiển 8051, ngoài ra trên Pic này còn tích hợp 10 bit chuyển đổi A/D giúp chúng ta không mất thêm bộ chuyển đổi

Bộ định thời 2 Bộ định thời 3

Cổng nối tiếp 1 Cổng nối tiếp 2 Nguồn ngắt 6 Nguồn ngắt 15

2.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân của vi điều khiển Pic 16F877a.

 Sơ đồ chân

Hình 2.35 : Sơ đồ chân của Pic 16F877a

Hình 2.36 : Sơ đồ nguyên lý của Pic 16F877a

Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ta rút ra kết luận:

 Pic 16f877a có tất cả 40 chân : 40 chân chia thành 5 port, 2 chân cấp nguồn, 2 chân nối đất, 2 chân thạch anh và một chân dùng để reset vi điều khiển

 Chức năng các chân như sau:

Vpp: ngõ vào áp lập trình

AN0: ngõ vào tương tự

3 RA1/AN1 RA1: xuất nhập số

AN1: ngõ vào tương tự

Vref-: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ A/D

Vref+: ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D

6 RA4/TOCKI/C1OUT

Xuất/ nhập số TOCKI: ngõ vào xung clock bên ngoài cho timer0

C1OUT: ngõ ra bộ so sánh 1

7 RA5/AN4/SS/C2OUT

Xuất/ nhập số SS: ngõ vào chọn lựa SPI phụ C2OUT: ngõ ra bộ so sánh 2

RD: điều khiển việc đọc ở port nhánh song song

WR: điều khiển việc ghi ở port nhánh song song

10 RE2/CS/AN7

Xuất/ nhập số CS: chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song

15 RC0/T1OCO/T1CKI

Xuất nhập số T1OCO: ngõ vào dao động timer1 T1CKI: ngõ vào xung clock bên ngoài timer1

16 RC1/T1OSI/CCP2

Xuất/ nhập số T1OSI: ngõ vào bộ dao động timer1 CCP2: ngõ vào capture2, ngõ ra compare 2, ngõ ra

PWM2

17 RC2/CCP1

Xuất/ nhập số CCP1: ngõ vào capture1, ngỏ ra compare 1, ngõ ra

PWM1

18 RC3/SCK/SCL

Xuất/ nhập số SCK: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế

độ SPI SCL: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế

SDO: dữ liệu ra SPI

25 RC6/TX/CK

Xuất/ nhập số TX: truyền bất đồng bộ USART CK: xung đồng bộ USART

Ngắt port B

40 RB7/PGD

Xuất/ nhập số PGD: mạch vi sai và dữ liệu lập trình ICSP

Ngắt port B

Bảng 2.2 :Chức năng các chân của Pic 16F877a

Tất cả các chân trong 5 port của vi điều khiển pic 16f877a ngoài các chức năng khác, có một chức năng chung đều là chân xuất nhập

Các thanh ghi sử dụng để điều khiển chức năng xuất/ nhập của port:

- TRISA ở địa chỉ 85h điều khiển chức năng xuất/ nhập của port A

- TRISB ở địa chỉ 86h điều khiển chức năng xuất/ nhập của port B