Ứng dụng năng lượng mặt trời cho robot tự hành

Sử dụng năng lượng tái tạo là năng lượng mặt trời để cung cấp cho phương tiện tự hành (robot tự hành,xe tự hành...).Thông tin về nguồn năng lượng mặt trời và ứng dụng của nó trong đời sống đặc biệt là trong lĩnh vực các phương tiện chạy điện

CHỦ ĐỀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHO PHƯƠNG TIỆN CHẠY ĐIỆN TỰ HÀNH ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO ROBOT TỰ HÀNH MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………… PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI…………………… 1) Giới thiệu pin mặt trời………………………………………………… 2) Hệ pin mặt trời làm việc độc lập………………………………………… PHẦN 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP…………………………………………………………….… 1) Bộ biến đổi DC/DC……………………………………………………… 2) Điều khiển biến đổi DC/DC…………………………………………… PHẦN 3: BỘ LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG……………………………………… 1) Các đặc tính ắc quy………………………………………………… 10 2) Chế độ làm việc ắc quy (xét ắc quy chì - axit)……………………… 10 3) Các chế độ nguồn nạp ắc quy…………………………………… 11 PHẦN : ỨNG DỤNG HỆ PIN MẶT TRỜI LÀM NGUỒN CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO ROBOT TỰ HÀNH…………………… …………………… 12 KẾT LUẬN…………… ……………………………………………………… …… 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 15 LỜI NĨI ĐẦU Ngày với tình hình dân số công nghiệp phát triển không ngừng,năng lượng thể rõ vai trò quan trọng trở thành yếu tố thiếu sống.Tuy nhiên nhu cầu sử dụng lượng ngày tang nguồn lượng truyền thống khai thác sử dụng hàng ngày lại dần cạn kiệt trở nên khan hiếm.Một số nguồn lượng sử dụng lượng hóa thạch (than đá,dầu mỏ,khí đốt…) cho thấy tác động xấu đến mơi trường,gây nhiễm bầu khí quyển,hiệu ứng nhà kính,thủng tầng ozon,là nguyên nhân làm trái đất nóng dần lên.Các khí thải từ việc sử dụng nguyên liệu nguyên nhân gây mưa axit,gây hại cho mơi trường sống người.Còn nguồn lượng thủy điện (vốn coi nguồn lượng sạch) không đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện nay,nếu đập thủy điện lớn lại ảnh hưởng đến dòng chảy sinh thái xung quanh.Trước tình hình đòi hỏi phải có nguồn lượng thay thế,đáp ứng nhu cầu tiêu thụ lượng lớn mạnh ngày,thay cho nguồn lượng truyền thống dần cạn kiệt ảnh hưởng đến môi trường So với nguồn lượng khai thác sử dụng lượng gió,năng lượng hạt nhân,năng lượng thủy triều…thì lượng mặt trời quan tâm hàng đầu,nó nguồn lượng vô tận,đặc biệt không gây ảnh hưởng xấu đến đời sống người,có thể thành nguồn lượng tốt tương lai phục vụ nhu cầu tiêu thụ phát triển người.Hệ thống quang điện sử dụng lượng mặt trời (hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm khơng cần ngun liệu,khơng gây nhiễm mơi trường,ít phải bảo dưỡng,khơng gây tiếng ồn,có thể di động cá nhân có hội sở hữu sử dụng với nhu cầu mình…Hiện lượng mặt trời khai thác ứng dụng sống công nghiệp nhiều dạng hình thức khác thơng thường dạng nhiệt điện Hiện với thời đại công nghiệp 4.0 nước ta,việc tiếp cận với nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời để ứng dụng vào công nghiệp phương tiện chạy điện tự hành để theo kịp với thời đại quan tâm.Để sử dụng lượng mặt trời ta cần phải có hệ pin mặt trời,một hệ pin mặt trời làm việc độc lập bao gồm : Hệ thống hấp thụ ánh sáng pin mặt trời nối ghép với nhau,các biến đổi điện tử công suất (DC/DC DC/AC) hệ thống điều tiết lưu trữ lượng thiết bị điều tiết sạc,ắc quy.Mỗi thành phần hệ pin mặt trời mang nhiệm vụ cụ thể riêng biệt mang tính định đến khả làm việc hiệu hệ quang điện đó.Bộ biến đổi DC/DC sử dụng thuật tốn điều khiển tìm điểm công suất tối ưu để làm tang hiệu làm việc pin quang điện,ắc quy giúp dự trữ điện để trì hoạt động cho hệ thống khơng có ánh sáng mặt trời cường độ xạ ánh sáng mặt trời yếu không đủ phát điện tiêu thụ không hết lượng chuyển đến bình ắc quy để lưu trữ lại phục vụ cần.Bộ biến đổi điện nghịch lưu DC/AC chuyển đổi dòng điện chiều từ ắc quy thành điện xoay chiều (110V,220V) để cung cấp cho thiết bị xoay chiều Với chủ đề: Ứng dụng lượng tái tạo cho phương tiện chạy điện tự hành, em tập trung trình bày ứng dụng lượng mặt trời,hệ thống pin mặt trời thiết bị biến đổi điện,thiết bị điều tiết để lưu trữ lượng cách hợp lí an tồn dùng cho robot tự hành PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Giới thiệu pin mặt trời 1.1 Định nghĩa Pin mặt trời gọi pin quang điện thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện bán dẫn(thường gọi hiệu ứng quang điện – quang dẫn) để tạo dòng điện chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể silic tinh khiết chất bán dẫn điện điện tử bị giam giữ liên kết mạng,khơng có điện tử tự Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích,các điện tử bị bứt khỏi liên kết,hay điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại lỗ trống tích điện dương vùng hóa trị Lúc chất bán dẫn dẫn điện Có loại pin mặt trời làm từ thể silic: o Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể có hiệu suất tới 16% Loại thường đắt tiền cắt từ thỏi hình ống,các đơn tinh thể có mặt trống góc nối module o Đa tinh thể làm từ thỏi đúc từ Silic nung chảy,sau làm nguội làm rắn Loại pin thường rẻ loại đơn tinh thể,nhưng lại có hiệu suất Tuy nhiên chúng tạo thành vuông che phủ bề mặt nhiều loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp o Dải Silic tạo từ miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể Loại thường có hiệu suất thấp loại rẻ loại không cần phải cắt từ thỏi Silicon Về chất pin quang điện điốt bán dẫn bao gồm hai bán dẫn loại P loại N đặt sát cạnh nhau, khác chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng có lớp N cực mỏng để ánh sáng truyền qua Trên bề mặt pin quang điện có lớp chống phản xạ chiếu ánh sáng vào pin quang điện, có phần ánh sáng bị hấp thụ truyền qua lớp N phần ánh sáng bị phản xạ ngược lại phần ánh sáng đến lớp chuyển tiếp, nơi có cặp electron lỗ trống nằm điện trường bề mặt giới hạn Với bước sóng thích hợp truyền cho electron lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, tác dụng điện trường, electron bị kéo phía bán dẫn loại N, lỗ trống bị kéo phía bán dẫn loại P Khi nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N P đo hiệu điện Giá trị hiệu điện phụ thuộc vào chất chất làm bán dẫn tạp chất hấp phụ 1.2 Đặc tính làm việc pin mặt trời Đặc tính làm việc pin mặt trời thể qua hai thông số điện áp hở mạch lớn VOC lúc dòng Dòng điện ngắn mạch ISC điện áp Công suất pin tính theo cơng thức: P = I.U (1-1) Tại điểm làm việc U = UOC/ I = U = / I = ISC , Cơng suất làm việc pin có giá trị Hình 1.1 Đường đặc tính làm việc U – I pin mặt trời Hệ pin mặt trời làm việc độc lập Sơ đồ khối hệ pin mặt trời làm việc độc lập Hệ PV làm việc độc lập gồm có thành phần là: - Thành phần lưu giữ lượng - Các biến đổi bán dẫn a Thành phần lưu giữ lượng Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện để phục vụ cho tải thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ lượng hệ PV Phổ biến sử dụng ắc quy để lưu trữ lượng Ắc quy cần phải có điều khiển nạp để bảo vệ đảm bảo cho tuổi thọ ắc quy b Các biến đổi bán dẫn hệ hệ pin mặt trời Các bán dẫn hệ PV gồm có biến đổi chiều DC/DC biến đổi DC/AC Bộ DC/DC dùng để xác định điểm làm việc có cơng suất lớn pin làm ổn định nguồn điện chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải ắc quy Bộ biến đổi DC/DC có tác dụng điều khiển chế độ nạp phóng để bảo vệ nâng cao tuổi thọ cho ắc quy Có nhiều loại biến đổi DC/DC sử dụng phổ biến loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck Cả loại DC/DC sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo chu kỳ tính tốn sẵn để đạt mục đích sử dụng Tùy theo mục đích nhu cầu mà DC/DC lựa chọn cho thích hợp Khóa điện tử mạch DC/DC điều khiển đóng cắt chu kỳ Mạch điều khiển khóa điện tử kết hợp với thuật toán xác định điểm làm việc tối ưu (MPPT – maximum power point tracking) để đảm bảo cho hệ quang điện làm việc hiệu PHẦN 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 2.1 Bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC sử dụng rộng rãi nguồn điện chiều với mục đích chuyển đổi nguồn chiều khơng ổn định thành nguồn điện chiều điều khiển Trong hệ thống pin mặt trời, biến đổi DC/DC kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi cung cấp điện áp lớn phù hợp với tải Nhìn chung biến đổi DC/DC thường bao gồm phần tử khoá điện tử, cuộn cảm để giữ lượng, điơt dẫn dòng Các biến đổi DC/DC thường chia làm loại có cách ly loại khơng cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện chiều đầu vào với nguồn chiều tăng hay giảm áp cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại thường sử dụng cho nguồn cấp chiều sử dụng khoá điện tử Phổ biến mạch dạng cầu, nửa cầu flyback Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly điện nhiều lý an tồn Loại DC/DC khơng cách ly khơng sử dụng máy biến áp cách ly Chúng dùng điều khiển động chiều Các loại biến đổi DC/DC thường dùng hệ PV gồm: - Bộ giảm áp (buck) - Bộ tăng áp (boost) - Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost) - Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk Việc chọn lựa loại DC/DC để sử dụng hệ PV tuỳ thuộc vào yêu cầu ắc quy tải điện áp dãy panel mặt trời Bộ giảm áp buck định điểm làm việc có cơng suất tối ưu điện áp vào vượt điện áp biến đổi, trường hợp thực cường độ xạ ánh sáng xuống thấp Bộ tăng áp boost định điểm làm việc tối ưu với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng Boost để tăng điện áp cấp cho tải trước đưa vào biến đổi DC/AC Bộ Buck – boost vừa tăng, vừa giảm áp 2.2 Điều khiển biến đổi DC/DC Các cách thường dùng để điều khiển DC/DC là: a Mạch vòng điện áp phản hồi Bộ điều khiển Rv PI Điện áp đầu cực pin sử dụng biến điều khiển cho hệ Nó trì điểm làm việc hệ sát với điểm làm việc có cơng suất lớn cách điều chỉnh điện áp pin phù hợp với điện áp theo yêu cầu Phương pháp có nhược điểm sau: - Bỏ qua hiệu suất xạ nhiệt độ dãy pin mặt trời - Không áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện Vì vậy, phương pháp điều khiển thích hợp điều kiện độ xạ ổn định, chẳng hạn hệ thống vệ tinh, khơng thể tự động xác định điểm làm việc tối ưu điều kiện ánh sáng nhiệt độ thay đổi Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển điện áp b Phương pháp điều khiển phản hồi cơng suất Có thể điều khiển công suất tối ưu cách cho đạo hàm dP/dV = điều khiển phản hồi công suất Nguyên tắc hoạt động phương pháp đo khuếch đại công suất tải Ưu điểm phương pháp khơng cần quan tâm đến đặc tính làm việc pin Tuy nhiên, phương pháp khuếch đại công suất tải công suất khỏi nguồn pin mặt trời Mặc dù biến đổi có kết hợp phương pháp MPPT cho hiệu cao dải rộng điểm làm việc, biến đổi khơng tốt, tồn cơng suất khơng đến tải tổn thất lượng Vì vậy, phương pháp đòi hỏi biến đổi thật hồn hảo c Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi Hình 2.2 Mạch vòng dòng điện phản hồi Ri mạch điều khiển PI Phương pháp áp dụng với thuật toán MPPT cho đại lượng điều khiển dòng điện PHẦN 3: BỘ LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện để phục vụ cho tải thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ lượng hệ PV Phổ biến sử dụng ắc quy để lưu trữ lượng Ắc quy thiết bị điện hố, tồn trữ dạng hố có phụ tải sử dụng đấu nối vào, hoá giải phóng dạng điện Bộ ăc quy giúp lưu giữ điện chưa sử dụng cung cấp cho biến đổi DC/AC trường hợp khí hậu xấu, trời nhiều mây, mưa không cung cấp đủ ánh sáng Bộ ắc quy đồng thời trực tiếp cung cấp điện chiều cho thiết bị sử dụng điện chiều Cấu tạo ắc quy gồm hai điện cực khác đặt dung dịch điện phân, có màng ngăn cách Do điện điện cực dung dịch khác nên hai điện cực có hiệu điện thế, nối với mạch ngồi sinh dòng điện 3.1 Các đặc tính ắc quy 3.1.1 Dung lượng: (ký hiệu C) Thường đo Ampe – (Ah), xác định lượng điện mà ắc quy phóng với giá trị dòng điện định khoảng thời gian định Khoảng thời gian thường dùng để xác định dung lượng giờ, 10 20 Tương ứng có ký hiệu dung lượng C5, C10, C20 Giá trị dòng điện đo xác định dung lượng thường 10% 20%C Ví dụ: ắc quy có dung lượng C = 100Ah cung cấp cho tải 10A 10 h 20A 5h 3.1.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất: Là giá trị điện áp thấp cho phép trình vận hành ắc quy, xác định dung lượng khơng (ắc quy phóng hết điện) giá trị dòng phóng Nếu dòng phóng lớn điện áp ắc quy giảm đến mức thấp Đây giá trị nhà sản xuất cung cấp 3.1.3 Điện áp hở mạch: Điện áp hai cực ắc quy khơng q trình phóng trình nạp Điện áp hở mạch ắc quy chì - axit phụ thuộc vào nhiệt độ, tỷ trọng đặc trưng, thường có giá trị khoảng 2,1 V Do tỷ trọng ắc quy phụ thuộc vào dung lượng mà ắc quy có Khi ắc quy phóng điện, dung lượng giảm nên điện áp hở mạch ắc quy giảm theo 3.2 Chế độ làm việc ắc quy (xét ắc quy chì - axit) 3.2.1 Nạp ắc quy: Có nhiều chế độ nạp ắc quy khác nhau: Chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn thiện chế độ nạp cân Chế độ nạp bình thường bắt đầu lúc nào, với dòng nạp nào, miễn khơng làm cho điện áp ắc quy vượt mức điện áp sinh Chế độ nạp bình thường đem lại 80 đến 90% dung lượng ắc quy Chế độ nạp hoàn thiện bắt đầu ắc quy nạp gần đầy, phần lớn chất tích cực ắc quy trở dạng ban đầu Khi cần phải tăng giá trị điện áp nạp dòng điện suy giảm dần đến khơng Chế độ nạp cân sử dụng theo chu kỳ, sau vài tuần đến tháng, với mục đích làm cho ngăn ắc quy có độ đồng Chế độ yêu cầu điện áp nạp cao so với nạp hồn thiện dòng điện nạp phải giữ ổn định, vài Thông thường, sau ắc quy phóng kiệt cần đến chế độ nạp 3.2.2 Ắc quy phóng: Độ sâu phóng điện: thể tỷ lệ phần trăm lượng điện cấp cho tải bên so với dung lượng ắc quy Độ sâu phóng điện, với giá trị dòng phóng đó, bị hạn chế điện áp ngưỡng thấp nhất, thường cho phép đến 15 – 25% dung lượng ắc quy Mức độ tự phóng điện: Khi ắc quy chế độ hở mạch dung lượng ắc quy bị suy giảm chậm dòng rò phía cực cấu tạo thân ắc quy Mức độ tự phóng ắc quy tăng theo nhiệt độ, đạt đến 10 đến 15% 3.3 Các chế độ nguồn nạp ắc quy Gồm chế độ sau đây: nạp với dòng khơng đổi, nạp với áp không đổi nạp Lựa chọn chế độ nạp cho ắc quy tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng ắc quy (hoạt động thường xuyên theo chu kỳ hay hoạt động theo nhu cầu), tính kinh tế, thời gian nạp lai, giữ gìn tuổi thọ ắc quy Mục đích phương pháp nạp ắc quy chủ yếu điều khiển dòng điện nạp cuối q trình nạp ắc quy PHẦN 4: ỨNG DỤNG HỆ PIN MẶT TRỜI LÀM NGUỒN CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO ROBOT TỰ HÀNH Từ nguồn cung cấp lượng hệ thống pin mặt trời qua biến đổi DC/DC hay DC/AC ta sử dụng để vận hành khối điện tử robot tự hành gồm mạch động lực điều khiển động cơ,mạch vi điều khiển cảm biến siêu âm… 4.1 Xây dựng khối điều khiển cho robot: Khối điều khiển robot bao gồm khối xử lí tín hiệu,khối cơng suất khối hiển thị (Sơ đồ hình dưới) Để ổn định nguồn cấp cho vi điều khiển q trình hoạt động,thì vai trò nguồn quan trọng.Mạch nguồn cần phải đảm bảo cung cấp điện áp dòng điện ổn định cho chip thiết bị mở rộng kèm theo LCD,led,cảm biến.Mạch nguồn có sơ đồ : Mạch ổn áp sử dụng IC LM7805 giúp cho đầu vào chip ngưỡng ~ 5V 4.2 Phần tử cảm biến: Robot thường sử dụng cảm biến siêu âm SRF 05,nó có đặc điểm: + Điện áp sử dụng : 5V + Dòng thấp : 4mA + Tần số : 40khz +phạm vi sử dụng: 1cm – 4m + Đầu vào kích xung: 10às + Kớch thc: 43ì20ì17mm SRF 05 cú chân Trigger Echo chân điều khiển,Trigger chân phát xung Echo chân nhận xung về,cho tín hiệu vi điều khiển.Ban đầu cấp xung 10 µs cho chân trigger,chân Echo có tín hiệu Giới hạn tín hiệu từ 100µs đến 25ms có nghĩa SRF05 cho phép đo khoảng từ 1cm đến 4m KẾT LUẬN Trước thời đại công nghệ ngày phát triển,các phương tiện tự hành máy móc tự động ngày tăng lên số lượng cải tiến cơng nghệ qua ngày.Chúng góp phần khơng nhỏ việc thay thế,giúp đỡ người sản xuất lao động.Bên cạnh vấn đề lượng nay,năng lượng mặt trời ngày thể vị trí thay cho lượng truyền thống,bởi có ưu điểm vượt trội dự báo trở thành nguồn lượng cho tương lai.Chính việc kết hợp lượng tái tạo nói chung hay lượng mặt trời nói chung với phương tiện tự hành ngày nhiều quốc gia quan tâm áp dụng.Bài viết phần phần ứng dụng lượng mặt trời phương tiện tự hành xe tự hành robot tự hành,cách thu lượng mặt trời,biến đổi lưu trữ biến đổi bình ắc quy để cung cấp lượng cho vi mạch điều khiển,các khối xử lí tín hiệu khối cơng suất,cảm biến,LCD… Giúp chúng vận hành nhờ vào nguồn cung cấp lượng thân thiện với môi trường mặt trời TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Thế San – Trần Khánh Thành - Tự thiết kế - lắp ráp mạch điện thông minh chuyên lượng mặt trời – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Tài liệu ắc quy hãng Power PS Sonic PGS.TS Đặng Đình Thống – Pin mặt trời ứng dụng – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Phạm Quốc Hải – Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tham khảo đồ án,luận văn chủ đề lượng mặt trời,phương tiện tự hành anh chị ngành điện tử tự động hóa internet Các website: https://www.google.com/ http://alldatasheet.com/ https://solarpower.vn/tai-sao-phai-dung-bo-dieu-khien-sac-cho-pin-mat-troi/ https://www.ebookbkmt.com/2016/10/sach-san-huong-dan-thiet-ke-ien-tu-cong.ht ml