đồ án thiết kế mạch sạc năng lượng mặt trời
Trang 1Đồ án môn học 2
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước mọi nhu cầu sản xuất, sinh hoạt đều sử dụng đến các máy móc thiết bị điện Khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, sự quá tải hay bảo trì lưới điện của hệ thống điện lưới quốc gia làm chúng ta thường bị mất điện Khi gặp những lúc mất điện,việc làm đầu tiên chúng ta phải cần đến một nguồn điện dự trữ để mang ra sử dụng Ngày nay, hầu hết nguồn điện dự trữ được lưu trữ ở nguồn điện một chiều (DC) 6V, 12V hoặc 16V hay 24V, trong khi hầu hết các thiết bị điện của chúng ta sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC) 220V Để sử dụng được các thiết bị điện, ta cần một mạch biến đổi điện áp 12V DC thành 220V AC Thiết bị đó được gọi chung là nghịch lưu Mạch này còn có thể được dùng với pin mặt trời để tạo ra hệ thống pin năng lượng mặt trời phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ở những nơi hải đảo, vùng sâu vùng xa hoặc những nơi chưa có nguồn điện lưới quốc gia phục vụ
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nêu trên đề tài “ Thiết kế và gia công bộ chuyển đổi điện dùng trong năng lượng mặt trời” hi vọng sẽ đem lại một phần lợi ích cho các cá nhân và tập thể trong việc sử dụng nguồn năng lượng mới góp phần phát triển đất nước ngày một tốt đẹp hơn
Trang 2
Đồ án môn học 2
LỜI CẢM ƠN
Trước khi vào nội dung đồ án em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành đồ án này
Cùng toàn thể thầy cô bộ môn đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian học tại trường
Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện đồ án học phần này
Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình đã ủng hộ và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này
Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án này, em kính mong quý thầy cô chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hoàn thiện hơn kiến thức của mình và có thể tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có được
Trang 3Đồ án môn học 2
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG iv
DANH SÁCH CÁC HÌNH v
Chương 1: TỔNG QUAN 7
1.1.Đặt vấn đề: 7
1.2 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 7
1.3 Mục tiêu nghiên cứu: 7
1.4 Phương pháp nghiên cứu: 7
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8
2.1 Khái niệm về pin mặt trời: 8
2.2 Khái niệm về bộ điều khiển sạc: 9
2.3 Khái niệm về bộ đổi điện - INVERTER: 10
2.4 Khái niệm về BATTERY (Ắc-quy): 10
Chương 3: TÌM HIỂU LINH KIỆN VÀ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH NẠP ACQUY 11
3.1.Tìm hiểu chung về Arduino: 11
3.1.1 Khái niệm Arduino: 11
3.1.2 Các thông số Arduino: 12
3.2 Tìm hiểu về biến trở: 13
3.3 Tìm hiểu về transistor công suất: 14
3.4 Tìm hiểu về xung PWM: 15
3.4.1 Khái niệm về xung: 15
Trang 4Đồ án môn học 2
3.4.2 Xung PWM: 16 3.5 Relay (Rơ-le): 18 3.6 Đồng hồ hiển thị điện áp và hiệu điện thế (V-A): 21 Chương 4:
CHƯƠNG TRÌNH NẠP CHO BOAR ARDUINO 23 4.1 Hướng dẫn cách nạp chương trình : 23 4.2 Chương trình băm xung cho mạch nạp acquy: 29 Chương V:
KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31
Trang 5Đồ án môn học 2
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của Arduino Uno R3……….13 Bảng 3.2 Chu kì xung tương ứng khi sử dụng hàm analogWrite………17
Trang 6Đồ án môn học 2
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống pin mặt trời……… 8
Hình 2.2 Hình ảnh pin mặt trời………9
Hình 2.3 Hình ảnh bộ điều khiển sạc……… 9
Hình 2.4 Hình ảnh bộ chuyển đổi DC-AC INVERTER………10
Hình 2.5 Hình ảnh battery chuyên dùng cho điện năng lượng mặt trời………10
Hình 3.1 Hình ảnh một số loại Arduino………12
Hình 3.2 Một số hình ảnh về biến trở………14
Hình 3.3 Hình dạng transistor D718……… 15
Hình 3.4 Hình ảnh xung khi sử dụng với hàm analogWrite trong Arduino….17 Hình 3.5 Hình dáng của rơ-le……….19
Hình 3.6 Thông số của rơ-le……… 19
Hình 3.7 Đồng hồ hiển thị vôn-ampe một chiều (DC)……… 21
Hình 3.8 Sơ đồ đấu dây đồng hồ………21
Trang 7để các thiết bị sử dụng điện từ nguồn pin năng lượng mặt trời được hoạt động tốt
1.2 Giới hạn phạm vi nghiên cứu:
Đồ án được thực hiện với công suất tương đối nhỏ
1.3 Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu nghiên cứu về nguồn năng lượng mặt trời đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi bởi những ưu điểm vượt trội có sẵn trong tự nhiên dồi dào không cạn kiệt, không phát sinh khí thải Từ đó thiết kế và gia công bộ chuyển đổi điện áp dụng được vào quá trình vận hành chung của hệ thống pin năng lượng mặt trời
1.4 Phương pháp nghiên cứu:
Ở Việt Nam pin năng lượng mặt trời đã và đang phát triển, được ứng dụng nhiều với công suất khác nhau phục vụ cho nhu cầu chiếu sáng, sinh hoạt cũng như các hoạt động sản xuất hay ở những vùng biên giới hải đảo xa xôi không có lưới điện
Từ đó chúng ta có thể tự trang bị cho riêng mình bộ năng lượng mặt trời có thể sử dụng cho chiếu sáng trong gia đình vào buổi tối hay những lúc mất điện
Trang 8Đồ án môn học 2
Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống pin mặt trời
(Nguồn: Theo solarpower.vn)
2.1 Khái niệm về pin mặt trời:
Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại) hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng
Trang 9Đồ án môn học 2
Hình 2.2 Hình ảnh pin mặt trời
(Nguồn: Theo pv complete zendesk.com)
2.2 Khái niệm về bộ điều khiển sạc:
- Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho quy, bảo vệ cho quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy,
ắc-và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả ắc-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
Hình 2.3 Hình ảnh bộ điều khiển sạc
(Nguồn:http://solarpower.vn/tai-sao-phai-dung-bo-dieu-khien-sac-cho-pin-mat-troi)
Trang 10Đồ án môn học 2
2.3 Khái niệm về bộ đổi điện - INVERTER:
- Là bộ biến điện nghịch lưu Inverter chuyển đổi nguồn điện 12VDC từ acquy thành nguồn điện 220VAC Được thiết kế với nhiều mức công suất khác
nhau
- Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện
áp đầu ra: dạng sóng hình sin, giả sin, sóng vuông, sóng bậc thang, sóng răng cưa…
Hình 2.4 Hình ảnh bộ chuyển đổi DC-AC INVERTER
(Nguồn: Theo Shop Solarpower.vn)
2.4 Khái niệm về BATTERY (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 panel mặt trời Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc-quy có dung lượng lớn hoặc sử dụng nhiều bình ắc - quy kết nối lại với nhau
Hình 2.5 Hình ảnh battery chuyên dùng cho điện năng lượng mặt trời
(Nguồn: http://
pinsolar.net/san-pham/acquy-megasun-chuyen-dung-cho-dien-nang-luong-mat-troi)
Trang 11Đồ án môn học 2
Chương 3:
TÌM HIỂU LINH KIỆN VÀ NGUYÊN LÝ
CỦA MẠCH NẠP ACQUY
* Tìm hiểu linh kiện :
3.1.Tìm hiểu chung về Arduino:
3.1.1 Khái niệm Arduino:
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ
và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++
Trang 12Ở đây đề cập đến thông số của Arduino Uno R3 vì dòng sản phẩm này được
sử dụng nhiều nhất Đến thời điểm hiên tại thì nó đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3) Chúng ta sẽ cùng tham khảo một vài thông số cơ bản của dòng Arduino Uno R3 này
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Trang 13Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,
Cấu tạo của biến trở gồm 2 thành phần chính là con chạy và cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn
- Biến trở là một điện trở mà trị số Ohm của nó có thể thay đổi được
- Chiết áp là một vành điện trở than trên đó có một điểm chạy Dùng chiết áp
để cho lấy ra một phần điện áp từ mức áp đưa vào ở hai đầu của chiết áp
- Chiết áp tinh chỉnh cũng hoạt động như chiết áp nhưng nó có độ chỉnh
“nhuyễn hơn”, ứng với một vòng quay số Ohm thay đổi tương ứng rất nhỏ
Trang 14Transistor công suất 2SD718 là transistor phân cực ngược NPN, được thiết
kế để có thể sử dụng trong các mạch khuếch đại và dùng như các khóa chuyển mạch
Transistor công suất 2SD718 được đóng gói theo chuẩn TO-247(3P), thứ tự chân từ trái qua phải là B C E Transistor công suất 2SD718 là transistor công suất
có hệ số khuếch đại trong khoảng từ 55 đến 160, công suất lên đến 80W
Transistor công suất 2SD718 được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tổng quát, mạch khuếch đại âm thanh, mạch khuếch đại công suất tuyến tính
Trang 15Đồ án môn học 2
Hình 3.3 Hình dạng transistor D718
(Nguồn: http://banhangdientu.com/shops/Linh-kien-Ampli/D718-155/)
3.4 Tìm hiểu về xung PWM:
3.4.1 Khái niệm về xung:
Xung là các trạng thái cao / thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặp lại Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) bao
gồm tần số (frequency) và chu kỳ xung (duty cycle)
Tần số là gì?
Tần số là số lần lặp lại trong 1 đơn vị thời gian Đơn vị tần số là Hz, tức là số lần lặp lại dao động trong 1 giây
VD: 1Hz = 1 dao động trong 1 giây 2Hz = 2 dao động trong 1 giây 16MHz
= 16 triệu dao động trong 1 giây
Như vậy theo quy tắc tam suất: 16 triệu dao động - 1 giây > 1 dao động tốn 1/16.000.000 (giây) = 0,0625 (micro giây)
Cách xác định 1 dao động như thế nào?
Đa phần thường mắc sai lầm ở việc xác định 1 dao động Dao động được xác định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trạng thái bắt đầu được lặp lại
Trang 16Đồ án môn học 2
Cách xác định 1 dao động
Như vậy thông thường, 1 dao động sẽ bao gồm 2 trạng thái điện: mức cao (x giây) và mức thấp (y giây) Tỉ lệ phần trăm thời gian giữa 2 trạng thái điện này chính là chu kì xung
Với x/y = 0% ta có xung chứa toàn bộ điện áp thấp (khái niệm xung nên hiểu
mở rộng)
Với x/y = 50% thì 50% thời gian đầu, xung có điện áp cao, 50% sau xung có điện áp thấp
Với x/y=100% ta có xung chứa toàn bộ điện áp cao
Tóm lại, với 1 xung ta có:
1 Tần số: để tính toán ra được thời gian của 1 xung
2 Chu kì xung: bao nhiêu thời gian xung có mức áp cao, bao nhiêu thời gian xung có mức áp thấp
3.4.2 Xung PWM:
Trang 17Đồ án môn học 2
Hình 3.4 Hình ảnh xung khi sử dụng với hàm analogWrite trong Arduino
(Nguồn: http://arduino.vn/reference/xung-pwm) Giữa 2 vạch màu xanh lá cây là 1 xung
Đối với board Arduino Uno, xung trên các chân 3,9,10,11 có tần số là 490Hz, xung trên chân 5,6 có tần số 980Hz Để tạo ra các xung có tần số nhanh chúng ta có thể tham khảo thêm các thư viện riêng hỗ trợ việc này Trong mã nguồn Arduino gốc không hỗ trợ phần này
Trang 18Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản,
rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng làm công tắc điện tử Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng
thái: đóng và mở
Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le: module rơ-le đóng ở mức
thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng), module rơ-le đóng ở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng) Nếu sơ sánh giữa 2 module rơ-
le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi kinh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ cái transistor của mỗi module Chính vì cái transistor này nên mới sinh ra 2 loại module rơ-le này đấy (có 2 loại transistor là NPN - kích ở mức cao, và PNP - kích ở mức thấp)
Làm sao để nhận biết được module rơ-le nào thuộc loại nào? Thực sự thì mình nghĩ có 3 cách thôi, nếu có những cách khác hay hơn thì bạn hãy chia sẻ cho mọi người ở phần bình luận nhé:
- Hỏi người bán và sau khi mua về chúng ta đặt ngăn nắp, loại nào ra loại đấy
- Kiểm tra module rơle bằng cách thử cấp nguồn vào các chân điều khiển
- Tìm trên google thử tên của loại transistor mà module rơ-le đó dùng, nếu là loại NPN là module rơ-le kích ở mức cao, và nếu là PNP thì module rơ-le ấy là loại kích ở mức thấp
Trang 19Đồ án môn học 2
Hình 3.5 Hình dáng của rơ-le
(Nguồn:https://store.nerokas.co.ke/index.php?route=product/product&product) Điều quan trọng khi lựa chọn rơ-le phải phù hợp với mục đích sử dụng, chính vì thế cần phải hiểu rõ những kí hiệu trên thân rơ-le Sau đây là một ví dụ:
Hình 3.6 Thông số của rơ-le
Trang 205 SRD-05VDC-SL-C: Hiện điện thế kích tối ưu là 5V
Rơ-le bình thường gồm có 6 chân Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao
- 3 chân dùng để kích:
o +: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này
o - : nối với cực âm
o S: chân tín hiệu, tùy vào loại module le mà nó sẽ làm nhiệm vụ kích
rơ-le
Nếu đang dùng module rơ-le kích ở mức cao và chân S cấp điện thế dương vào thì module rơ-le của bạn sẽ được kích, ngược lại thì không
Tương tự với module rơ-le kích ở mức thấp
- 3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:
o COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện, nhưng mình khuyên bạn nên mắc vào đây chân lửa (nóng) nếu dùng hiệu điện thế xoay chiều
và cực dương nếu là hiệu điện một chiều
o ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện xoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều
o OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều