hệ thống tưới cây tự động sử dụng pin năng lượng mặt trời

Hình 1.1: Hệ thống tưới phun sương tự động trong nhà lưới Tại một số địa phương đã canh tác một số loại cây, hoa, rau có giá trị kinh tế mô hình tự động đáp ứng điều kiện kinh tế, môi t

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ của các thầy, cô giảng

viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm tôi học tậpvà rèn luyện

tại trường Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nềntảng cho quá trình nghiên cứu để tài, mà còn là hành trang quý báu để tôi bước vàođời một cách vững chắc và tự tin

Đặc biệt, để hoàn thành đề tài nghiên cứu vể “HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu

sắc đến giảng viên Th.s Đường Khánh Sơn, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá

trình làm tiểu luận tốt nghiệp

Cuối cùng tôi kính chúc quý thầy, cô giảng viên dồi dào sức khỏe và thànhcông trong sự nghiệp cao quý

Cần Thơ, Ngày Tháng Năm 2018 Sinh Viên Thực Hiện

Huỳnh Quốc Trưỡng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN ĐỀ TÀI 2

5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 3

NỘI DUNG 4

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1.1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 4

1.2 THỰC TIỄN ÁP DỤNG CỦA ARDUINO VÀO ĐỀ TÀI 5

1.3 KHÁI NIỆM, NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG ………5

1.3.1 Tổng quan về thiết kế một hệ thống tưới 5

1.3.2 Thiết kế hệ thống tưới 6

CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG 9

2.1 LỊCH SỬ CỦA PIN MẶT TRỜI 9

2.2 KHÁI QUÁT VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10

2.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI Si 13

2.4 VẬT LIỆU TRÔNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC LOẠI PIN MẶT TRỜI 17

2.5 TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG CHO HỆ PIN MẶT TRỜI 19

2.6 ỨNG DỤNG 20

2.7 LỢI ÍCH CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 20

2.8 ỨNG DỤNG CẤP NGUỒN CHO ĐỀ TÀI 21

CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀARDUINO 22

MỤC LUC

3.2 BOARD ARDUINOMEGA2560 23

3.3 LCD 16x2 HD44780VÀ GIAO TIẾP I2C 28

3.4 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT 31

3.5 CẢM BIẾN NGHIỆT ĐỘ LM35 34

3.6 Module 2 Relay Kích H/L (12VDC) 36

3.7 MẠCH GIẢM ÁP 5V 3A 2 CỔNG USB 37

3.8 MẠCH ỔN ÁP LM2596S 37

3.9 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 39

3.10 BỘ NẠP ẮC QUY TỰ ĐỘNG 12V - MODEl HKSL8686 39

3.11 ẮC QUY 42

3.12 BƠM TĂNG ÁP MINI 12VDCƠM 44

TĂNG ÁP MINI 1 44

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH,LẮP ĐẶT MẠCH THỰC TẾ 46

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG CỦA HỆTHỐNG 46

4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG CÀI ĐẶT CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT,ĐIỀU KHIỂN ĐÓNG NGẮT ĐỘNG CƠ 46

4.2.1 Giao diện IDE 46

4.2.2 Code 47

4.2.3 Lắp dặt mạch thực tế 51

CHƯƠNG V TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

5.1 TỔNG KẾT 54

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ thống tưới phun sương tự động trong nhà lưới……… 4

Hình 1.2: Cách tính toán đương ống……… 7

Hình 2.1: Pin năng lượng mặt trời được ứng dụng cung cấp nguồn điện cho hộ gia đình……….9

Hình 2.2:Một tế bào quan điện……… 11

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của pin mặt Trời……… 13

Hình 2.4: Cấu tạo một modun pin mặt Trời………17

Hình 2.5: Pin năng lượng mặt trời cấp nguồn………21

Hình 3.1: Những thành viên khởi xướng Arduino……… 22

Hình 3.2: Board Arduino Mega……….23

Hinh 3.3: Sơ đồ nguyên lý của boar Arduino mega 2560……….24

Hình 3.4:LCD 16x2……… 29

Hình 3.5: I2C……….31

Hình 3.6: Cảm biến độ ẩm của đất………

32 Hình 3.7: Sơ đồ mạch nguyên lý………33

Hình 3.8: LM35……….34

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý………

………….35

Hình 3.10: Relay thực tế……… 36

Hình 3.11:Mạch giảm áp 5V 3A 2 cổng USB……… 37

Hình 3.12: Mạch ổn áp LM2596S……….38

Hình 3.13: Pin năng lượng mặt trời……… 39

Hình 3.14: Model HKSL8686……….40

Hình 3.15: Biểu đồ nạp của bộ nạp HKSL8686……….41

Hình 3.16: Ắc quy thực tế………

42 Hình 3.17: Mô tơ 12v DC………

44 Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống……….45

Hình 4.2: Giao diện IDE của Arduino……… 46

Hình 4.3: Nguyên liệu chuẩn bị……….50

Hình 4.6: Cấu trúc bên trong bộ điề khiển……… 52 Hình 4.7: Mô hình và hiển thị giá trị………52

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Hiệu suất lý thuyết của một số vật liệu pin mặt Trời……… 18

Bảng 2.2: Các vật liệu trong công nghệ pin mặt trời màng mỏng……… 18

Bảng 3.1:Chi tiết thông số………24

Bảng 3.2 : Chức năng các chân của LCD……….29

Bảng 3.3: Thông số pin năng lượng mặt trời……… 39

Bảng 3.4: Thông số bộ nạp HKSL8686……… 42

Bảng 3.5: Cách nạp ắc quy……… 42

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật ắc quy……….43

Page | 1

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nhìn chung vào thực trạng Việt Nam vẫn là quốc gia có nền khinh tế nôngnghiệp là chủ lực và có một số loại nông sảng đứng hàng đầu thế giới, nhưng chưa

có nhiều ứng dụng khoa học kỹ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình

kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảođược đúng yêu cầu làm cho chất lượng sản phẩm nông sản không được ổn định.Chính vì thế cần đẩy mạnh áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản suất nôngnghiệp Riêngđối với ngành nông nghiệp trồng trọtnhững kỹ thuật trồng và chămsóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất, để đảm bảo cây sinhtrưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu của cây trồng sẽhạn chế sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệuquả cao

Mặt kháctrong bối cảnh Việt Nam ngày càng hội nhập kinh tế quốc tế sâu vàrộng, thì đồi hỏi sản phẩm nông sản phải chất lượng và đạt chuẩn xuất khẩu ra thịtrường quốc tế Các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sứclao động củacon người Vì vậy thiết bị tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạođưa vàothực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩmđất và độ ẩm không khí cho cây trồng phát triển tốt

Với hệ thống này, việc tínhtoán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước, gườilao động sẽ không cầnphải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng vàphát triển ổn định hơn

2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhận thấy nhu cầu về xu hướng áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vàongành nông nghiệp ở Việt Nam đang được chú trọng, nên bản thân tôi trong quátrình được đào tạo ngành tự động hóa muốn kết hợp phát triển với nền kinh tế thế

3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

“HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNGMẶT TRỜI” khi được hoàn thành sẽ đáp ứng được nhu cầu áp dụng khoa học kỹthuật vào nông nghiệp trồng trọt Giúp nâng cao sản lượng, chất lượng, gia tăng giátrị kinh tế và để khẳng định vai trò quan trọng nhất của nghành nông nghiệp tại ViệtNam Tạo điều kiện để người nông dân nâng cao trình độ, biết áp dụng sự tiến bộcủa khoa học trong canh tác Hạn chế thời gian, giảm công lao động, giảm di sự vất

vã của người nông dân Đồng thời tiếp tục nghiên cứu chế tạo hệ thống giá thànhthấp, cách sử dụng không quá phức tạp

Đề tài được nghiên cứu tại Đồng Bằng Sông Cửu Long, Khi nơi đây dẫn đầunước về sản xuất nông nghiệp trồng trọt và cũng là nơi có nhu cầu rất lớn khi ápdụng công nghệ tự động vào tưới cây

Về mặt thời gian nghiên cứu đề tài cho đến hoàn thành sản phẩm là một quátrình chuẩn bị khá kỉ lưỡng, phải hội đủ mọi điều kiện từ nhiều giai đoạn và phảimất khá nhiều thời gian

Đề tài này được nghiên cứu và áp dụng tại khu vực Đồng Bằng Sông Cửu

Page | 3

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN ĐỀ TÀI

Đề tài “HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNGMẶT TRỜI” sẽ áp dụng công nghệ của khoa học kỹ thuật tiên tiến vào nông nghiệptrồng trọt, tạo nên mối liên kết giữa hai lĩnh vực cùng nhau phát triển

Thực hiện đề tài này, sẽ tạo điều kiện cho bản thân có cái nhìn tổng quang hơnkhi đi từ lý thuyết trên sách vở so với thực tiển thí nghiệm mô hình cụ thể và từ đótôi có thể vận dụng linh hoạt tất cả các kiến thức đã học một cách có hiệu quả từnghành "Công Nghệ Kĩ Thuật Điều Khiển vàTự Động Hóa"

5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG

CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG VI:THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH,LẮP ĐẶT MẠCH THỰC TẾ

CHƯƠNG V: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Page | 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

NỘI DUNG CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG.

Hình 1.1: Hệ thống tưới phun sương tự động trong nhà lưới

Tại một số địa phương đã canh tác một số loại cây, hoa, rau có giá trị kinh tế

mô hình tự động đáp ứng điều kiện kinh tế, môi trường của nước ta Thực tế trongcuộc sống ngày càng bận rộn, nhiều người vẫn có thú vui là trồng những cây cảnh,vườn rau trong không gian trống của nhà mình như sân thượng, ban công Tuynhiên, trong những lúc bạn bận các công việc hằng ngày thì những cây cảnh vàvườn hoa ở nhà sẽ không được tưới nước

Nhìn chung, các phương pháp tưới có dùng ống đều có cùng nguyên lý tính ta

Page | 5

1.2 THỰC TIỄN ÁP DỤNG CỦA ARDUINO VÀO ĐỀ TÀI

Ứng dụng của Arduino về mô hình hệ thống tự động Sử dụng cảm biến đo độ

ẩm của đất và nhiệt độ môi trường kết nối với một Arduino và điều khiển động cơtạo ra hệ thống tưới tự động Tất cả mọi việc đều tự động diễn ra trong quá trình càiđặt sẵn và qua các cảm biến để điều tiết việc tưới cây hợp lí trong mọi thời tiết Từ

ví dụ thực tiễn cùng với sự giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn, Tôi đã lựa chọn vàphát triển đề tài theo hướng sử dụng kid Arduino để thực hiện đề tài của mình Với

hệ thống này đáp ứng được yêu cầu của việc tưới cây trồng tự động với con ngườikhông còn là vấn đề nang giải nữa Một hệ thống trồng thông minh đáp ứng về thờitiết kết hợp việc cài đặt độ ẩm đất và nhiệt độ phù hợp cây trồng tất cả chỉ trong mộtthiết bị vi điều khiển arduino Hợp với người bận công việc, phù hợp với việc sảnxuất nông nghiệp cao đưa ra chất lượng cây trồng tốt Một số ứng dụng cụ thể ápdụng qua đề tài : Tưới phun sương cho cây lan, tưới phun tia mưa cho hoa cúc, tướitia cho vườn ươm Các hình ảnh ứng dụng thực tế nhà cây trồng hình 1.1

1.3 KHÁI NIỆM, NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG.

Thiết kế hệ thông tưới cây tự động đòi hỏi phải có một số thông tin về các vật

tư thiết bị, về bộ vi xử lí, các bộ cảm biến, bộ điều khiển đóng cắt Vậy nên việc đặt

ra bài toán thiết kế là rất cần thiết

1.3.1 Tổng quan về thiết kế một hệ thống tưới.

Để thiết kế hệ thống tưới nước cho cây trồng, cần quan tâm đến các vấn đềsau:

– Hình dạng vùng tưới

– Diện tích vùng tưới

– Số cây cần cung cấp nước tưới

– Nhu cầu nước của loại cây trồng/đơn vị thời gian (lít/ngày)

– Địa hình khu tưới

Page | 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Để xác định hình dáng, diện tích vùng tưới, không có cách nào khác hơn làphải đo đạc Khoảng cách giữ các cây cũng là yếu tố tạo nên chất lượng yêu cầu đề

ra Khoảng cách cũng tạo ra sự chênh lệch lượng nước tới nếu không đều chênhlệch cũng cao tạo sản phẩm kém Với diện tích to quy hoạch lớn chúng ta nên đochính xác vừa đủ với lưu lượng nước chúng ta cần tưới phù hợp với công suất bơm

* Khi đã có “cái nền” là hình dáng, diện tích ta bắt đầu phát họa sơ đồ bố trí câytrồng

1.3.2 Thiết kế hệ thống tưới

a) Xác định lần tưới nhu cầu nước/lần tưới và khả năng cung cấp nước:

 Tùy thuộc loại cây trồng, ta xác định lần tưới và nhu cầu nước cho mỗi lần tưới

Số lần tưới phụ thuộc vào đặc tính của loài cây trồng và khả năng giữa ẩm củađất.Ta chỉ cần tính toán gần đúng thông số về lần tưới dùng để tính toán nguồnnước

 Trong sản xuất, sẽ dựa vào thực tế đất đai, thời tiết để điều chỉnh số lần tưới chophù hợp.Nhu cầu nước/lần tưới là thông số quan trọng để tính toán, thiết kế hệthống tưới và tính toán nguồn nước.Chuyên ngành thủy lợi có bảng tra nhu cầunước cho các loại cây trồng/vụ hoặc ngày hoặc có thể tra nghiên cứu trên mạng;tuy nhiên, người trồng cũng có nhiều kinh nghiệm thực tế để xácđịnh nhu cầunước tưới cho mỗi loại cây trồng

 Trong thực tế, nhu cầu nước của cây trồng ít hơn nhiều so với lượng nước tacung cấp; do vậy mà lượng nước tưới tùy thuộc vào phương pháp tưới.Thôngthường nhu cầu nước tưới cho một cây cần tưới giao động từ 5-10 lít (tưới nhỏgiọt); 15-20 lít (tưới phun tia) 30 đến 40 lít nước (tưới rãnh, tưới phun mưa) Từxác định

Page | 7

quá lớn, công suất máy bơm và đường kính ống dẫn nước chính sẽ tăng lên rất lớndẫn đến không có hiệu quả kinh tế Khi phân chia khu tưới, bạn phải lên bản vẽ thểhiện rõ hình dáng, diện tích từng khu tưới, kích thước các cạnh của khu tưới, vẽ cáchàng cây và chiều dài mỗi hàng cây, từ đây ta sẽ tính được số lượng cây trồng trongmỗi khu tưới, tính ra đường kính, chiều dài của đường ống chính

c)Tính toán đường ống chính:

Hình 1.2: Cách tính toán đương ống

Đường ống chính tải nước tưới đến từng khu tưới và cho cả vùng tưới, do đó,

ta phải tính toán được chiều dài và đường kính ống phù hợp và cả áp lực để chọnloại ống phù hợp (lớn quá sinh thừa – tốn tiền vô ích, ống nhỏ quá không cung cấp

đủ nước cho khu tưới, ống kém dễ hỏng dẫn đến tốn kém…)

Ngoài ra, ta cần tính vị trí lắp đặt đường ống chính và chuyển nó lên bản vẽ.Thông thường nếu khu tưới có địa hình thấp dần thì ta bố trí đường ống chính đitheo

Page | 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

cạnh có cao độ lớn nhất của khu tưới, nhờ đó khi xả nước ra khỏi đường ống chính,nước sẽ có khuynh hướng chảy từ nơi cao đến nơi thấp tới có lợi về năng lượng.Nếu đất tương đối bằng phẳng hoặc gợn sóng nhô cao ở giữa đồng đất thì nên bố tríđường ống chạy dọc theo các đỉnh cao xuyên qua đồng đất để chia nước tưới về haiphía

+ Tính chiều dài đường ống chính: Dùng thước kẻ ly đo tổng chiều dài đường ốngchính trên bản vẽ, nhân với tỷ lệ bản vẽ để xác định tổng chiều dài thực của đườngống chính

+ Tính toán đường kính của đường ống chính: Để tính toán được kích thước củađường ống chính ta cần xác định tổng nhu cầu nước tưới cho một lần tưới cho khutưới lớn nhất của vùng tưới

+Căn cứ vào chiều dài của mỗi hàng ta tính được số cây/hàng bằng công thức:

Số cây/hàng= chiều dài hàng chia cự ly trồng (cây cách cây) +1

Page | 9

CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN

CHO HỆ THỐNG

Hình 2.1: Pin năng lượng mặt trời được ứng dụng

cung cấp nguồn điện cho hộ gia đình.

2.1 LỊCH SỬ CỦA PIN MẶT TRỜI.

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật

lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tạiphòng nghiên cứu của cha Willoughby Smith nhắc đến phát minh này trong mộtbài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature Tuy nhiên chođến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủlên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ

có hiệu suất 1% Năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ratấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi HeinrichHertz trước đó vào năm 1887

Pin mặt trời đầu tiên có khả năng ứng dụng được ra mắt vào 25/4/1954 tại BellLaboratories bởi Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson.

Pin mặt trời bắt đầu được quan tâm đặc biệt khi kết hợp với vệtinh Vanguard I năm 1958

2.2 KHÁI QUÁT VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.

a) Khái niệm

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 dẫncó 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 hoặcđiện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tếbào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khảnăng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể đượcdùng như cảm biến ánh sáng, cảm biến hồng ngoại, hoặc các phát xạ điện từ gầnngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Page | 11

Hình 2.2:Một tế bào quan điện

b) Giai đoạn hoạt động của pin

Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặpelectron-hole trong chất bán dẫn

 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chấtbán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pinmặt trời

 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

c) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt Trời.

Pin năng lượng mặt Trời (hay Pin mặt Trời) có cấu tạo cũng khá đơn giản.Gồm một lớp tiếp xúc bán dẩn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạmặt Trời thành năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Pin mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặtTrời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẩn Silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Sitinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẩn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor làPhotpho (P) có hóa trị 5 Còn để có vật liệu bán dẩn tinh thể loại p thì tạp chấtAccetor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt Trời từ vật liệutinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng0,55V, còn

Page | 12

CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ

THỐNG

dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng (25 ÷ 30) mA/

cm2 Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các loại pin mặt Trời bằng vật liệu

Si vô định hình (a-Si) Pin mặt Trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trongsản xuất do đó có thể có gía thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt Trời tinh thểthì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làmviệc

Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác cónhiều hứa hẹn như hệ bán dẩn hợp chất bán dẩn nhóm III – V, Sunfit cadmi-đồng(CuCdS), Galium-Arsenit (GaAs),…Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu chế tạo và

sử dụng các pin mặt Trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và quy mô thínghiệm

Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặtTrời là thiết kế, chế tạo các pin mặt Trời gồm một số lớp pn để tăng cường khả nănghấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ mặt Trời

Page | 13

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của pin mặt Trời

2.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI SI.

Hiện nay, khoảng 90% các pin mặt Trời được sản xuất và ứng dụng là các pinmặt Trời từ vật liệu silicon (Si) dưới dạng đơn tinh thể, hoặc đa tinh thể hoặc vôđịnh hình nhưng chủ yếu là dạng tinh thể Vì vậy dưới đây ta chỉ nghiên cứu côngnghệ chế tạo pin mặt Trời tin thể Si

Quá trình công nghệ này bao gồm 6 công đoạn như sau:

 Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật (độ sạch luyện kim)

 Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn

 Pha tạp để có Si-n và Si-p và tạo tiếp xúc pn

 Tạo tiếp xúc điện, điện cực, lớp chống phản xạ

Page | 14

CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ

THỐNG

 Tạo module, kiểm tra, phân loại

 Dưới đây là mô tả sơ lược về các công đoạn nói trên:

Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật

Cát dùng làm vật liệu ban đầu chế tạo Si phải là cát giàu thạch anh SiO2 (hàm lượngSiO2 vào khoảng 90% hoặc cao hơn) Trong lò hồ quang nhiệt độ cao, SiO2 đượccho phản ứng với cacbon (C) để cho silicon (Si) có độ sạch kỹ thuật theo phản ứng:

Tạo đơn tinh thể Si

Có thể tạo đơn tinh thể Si dưới dạng thanh (thỏi), dạng tấm hoặc dạng băng.Các công nghệ chế tạo đơn tinh thể được dùng phổ biến là công nghệ Czochralski,công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt

Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si

Đầu tiên ta phải cắt gọt thỏi Si để nó có hình dạng trụ đồng đều, thường có

Phương pháp khuếch tánnhiệt.

Từ các phiến đơn tinh thể để có được Si loại n ta dùng tạp là Photpho (P), còn

để có Si loại p dùng tạp là Bo (B) Các nguồn tạp chất có thể là rắn như các muốiP2O5, B2O3, lỏng như POCl3, BBr3, hoặc khí như: PH3,BCl3

Sự tạo lớp tiếp xúc pn thực hiện theo định luật khuếch tán Pick Theo định luậtnày thì các nguyên tử sẽ khyếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp.Tốc độ khuếch tán và độ sâu khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian khuếchtán Người ta dùng một tấm đế là Si-p được pha tạp Bo với nồng độ 1016 nguyên tửBo/cm3, sau đó phủ lên tấm đế một lớp Photpho (P) và đưa vào buồng khuếch tán

có nhiệt độ khoảng 900 ÷ 9500C Khi P khuếch tán vào tấm để tạo thành một lớp

Si-n có độ dày khoảSi-ng 1,2 ÷ 1,5 µm thì Si-người ta hạ Si-nhiệt độ để chấm dứt quá trìSi-nhkhuếch tán Lớp tiếp xúc pn là một lớp mỏng trong đó có nồng độ tạp chuyển từ Psang B và tiếp xúc pn được xem là đặt tại biên giới mà trên đó có nồng độ P và Nbằng nhau

Do nồng độ P ở bề mặt lớp tiếp xúc rất cao thậm chí ngay cả sau quá trình

khuếch tán, P và Si tác dụng với nhau tạo ra một lớp bề mặt được gọi là “lớp chết”

có điện trở cao và là nguyên nhân gây ra sự tái hợp điện tử - lỗ trống, làm giảm hiệusuất của pin quang điện Vì vậy phải cắt bỏ lớp này đi

Vì hơn 50% ánh sáng mặt Trời tới pin mặt Trời bị hấp thụ trước hết chỉ ở mộtlớp bề mặt chiều dày 3µm ở sát bề mặt, phần còn lại của ánh sáng mặt Trời đượchấp thụ ở lớp tiếp theo có độ dày 300 µm Vì vậy pin mặt Trời nên được chế tạo saocho phía trên là một lớp colector mỏng (chiều dày ≤ 3µm) và tiếp đó là một lớp đế

Phương pháp bắn cấy ion.

Các phiến Si được đặt trước các đĩa ion năng lượng cao Tùy theo muốn chế

tạo Si-n hoặc Si-p mà người ta dùng các “đạn” ion là P hay B Nhờ sự thay đổi

cường độ tia ion có thể thay đổi chiều sâu đâm xuyên của các ion Bề mặt Si sau đóphải ủ bằng tia laser hoặc tia điện tử để khử các hư hỏng bề mặt do ion bắn phá vàomạng tinh thể ở gần bề mặt Lớp tiếp xúc pn tạo bằng phương pháp cấy ion khôngkhác gì nhiều so với tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt Chiều sâu của lớp pnvào cở 0,25 µm Mật độ các tạp chất biến đổi từ 1016 nguyên tử/cm3 ở lớp tiếp xúcđến 1021 nguyên tử/cm3 tại bềmặt

Tạo lớp tiếp xúc Ohmic

Vật liệu làm điện cực tiếp xúc phải có độ dẫn tốt và vừa phải bám dính tốtbán dẫn Ngoài ra đối với điện cực như mặt trên cần phải thiết kế sau cho ánh sángmặt Trời có thể đến được lớp tiếp xúc pn Cần phải điều hòa giữa vấn đề che sáng

và điện trở của điện cực

Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng

Si chưa xử lý phản xạ đến 30% ánh sáng tới Một lớp chống phản xạ như SiO2

có thể làm giảm phản xạ xuống 10% Nếu dùng hai lớp chống phản xạ thì có thểlàm giảm phản xạ xuống dưới 3% Các vật liệu dùng làm vật liệu chống phản xạ làSiO2, TiO2 và Ta2O5 Công nghệ bốc hơi trong chân không là công nghệ thích hợp

để tạo lớp chống phản xạ

Đóng gói các pin mặt Trời thành modun

Page | 17

modun (tấm) pin mặt Trời Khi đóng gói ta cần chú ý là phải lựa chọn các pin hoàntoàn hoặc gần hoàn toàn giống nhau về các đặc trưng quang điện và cơ học để xếpvào một modun

Hình 2.4: Cấu tạo một modun pin mặt Trời.

(Ghi chú: EVA là: Ethylene Vinyl Acetate.)

2.4 VẬT LIỆU TRÔNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC LOẠI PIN MẶT TRỜI.

Các loại vật liệu cho pin mặt Trời

Thông số quan trọng ảnh hưởng đến biến đổi hiệu suất biến đổi quang điệncủa một vật liệu pin mặt Trời là độ rộng vùng cấm của nó Lý thuyết và thựcnghiệm đã cho thấy rằng, để có hiệu suất η ≥ 8% thì độ rộng vùng cấm của vật liệuphải ở trong khoảng 1 eV ÷ 1,6Ev

Hiệu suất lý thuyết cực đại (%)

Bảng 2.1: Hiệu suất lý thuyết của một số vật liệu pin mặt Trời.

Vật liệu cho pin mặt Trời màng mỏng (pin mặt Trời vô định hình)

Vật liệu dùng trong chế tạo pin mặt Trời màng mỏng là những vật liệu cóthể trực tiếp chế tạo được các pin có chất lượng cao, nhưng những phương pháp chếtạo này đòi hỏi phải có các xử lý phụ kèm và công nghệ phức tạp như: ủ ở nhiệt độcao, ủ trong môi trường khí đặc biệt,…

Bảng 2.2: Các vật liệu trong công nghệ pin mặt trời màng mỏng

Vật liệu

Vùng cấmEg(eV)

Loại độdẩn

Vật liệu

Vùng cấmEg(eV)

Loại độ dẩn

a-Si 1,7 p-i-n Cd(Se,Te) 1,5 ÷ 1,7 p/n

Page | 19

Một số loại pin mặt Trời khác

* Pin mặt Trời vô định hình Si(a-Si)

* Pin mặt Trời vô định hình bán dẩn hợp chất

* Pin mặt Trời trên cơ sở vật liệu CuInSe2

* Pin mặt Trời trên cơ sở vật liệu CdTe

* Pin mặt Trời có độ rộng vùng cấm giảm dần

* Pin mặt Trời hội tụ

2.5 TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG CHO HỆ PIN MẶT TRỜI.

Có hai phương pháp phổ biến để tích trữ năng lượng trong hệ pin mặt Trời

+ Phương pháp thứ nhất là hòa điện pin mặt Trời vào lưới điện địa phương Lướiđiện địa phương ở đây có thể là lưới điện công nghiệp hoặc lưới điện tổ hợp từ cácmáy phát điện khác như: thủy điện, động cơ gió,… Trong phương pháp này, lướiđiện địa phương đóng vai trò như một “bể chứa”, nhằm tích trữ năng lượng điện dư

do hệ pin mặt Trời phát ra khi lúc có nắng và được dùng lúc cần thiết Tích trữ kiểuhòa vào lưới điện địa phương này có thể thực hiện lâu dài và rất kinh tế, nhưngphương pháp này chỉ thực hiện ở những nơi có lưới điện

+ Phương pháp thứ hai là dùng một bộ acquy để tích trữ năng lượng điện của hệpin mặt Trời Phương pháp này được ứng dụng rất mạnh mẽ cho khu vực nôngthôn, những vùng xa xôi, hẻo lánh,… không có lưới điện

Một số loại acquy thường dùng cho một hệ thống pin mặt Trời

+ Acquy chì –axit

+ Acquy Niken – Cadmi (Ni-Cd)

2.7 LỢI ÍCH CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

 Tạo ra nguồn năng lượng xanh

Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên quen thuộc với tất cả mọi người.Nhờ có tấm pin năng lượng mặt trời mà nguồn năng lượng tự nhiên đó được chuyểnhóa thành điện năng để phục vụ cho đời sống của con người

 Thân thiện với môi trường

Một điểm cộng cho tấm pin năng lượng mặt trời chính là tạo ra một nguồn nănglượng sạch, thân thiện với môi trường

2.8 ỨNG DỤNG CẤP NGUỒN CHO ĐỀ TÀI

Page | 21

Hình 2.5: Pin năng lượng mặt trời cấp nguồn

Với hệ thống này sử dụng pin năng lượng mặt trời thông qua bộ nạp nănglượng mặt trời model HKSL8686 ứng dụng công nghệ PWM điều khiển dòng nạp

và áp nạp của tấm pin mặt trời (hoặc nguồn DC tương ứng) nạp cho ắc quy loại 12V

từ 9Ah → 20Ah trở lên để nạp cho bình ác quy khô 12v-12Ah

Được ac quy lưu trữ năng lượng cung cấp cho hệ thống tưới cây tự động

Page | 22

CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀARDUINO.

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY trên toàn thếgiới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thịtrường thiết bị di động Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trảirộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo rachúng

Hình 3.1: Những thành viên khởi xướng Arduino.

Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại cáctrường đại học danh tiếng như: MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; hoặcngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng

để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác.Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với

Page | 23

thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $30,người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác

và điều khiển chừng ấy thiết bị

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vuavào thế kỷ thứ 9 là King Arduino Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm

2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư MassimoBanzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction DesignInstistute Ivrea(IDII) Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduinovẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của nhữngngười dùng đầu tiên Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấnIvrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino

3.2 BOARD ARDUINOMEGA 2560

Hình 3.2: Board Arduino Mega.

Arduino Mega 2560 là một bo mạch chủ sử dụng vi điều khiển ATmega 2560

Nó có 54 chân kỹ thuật số đầu vào / đầu ra (trong đó 15 chân có thể xuất ra xungPWM), 16 đầu vào analog, 4 UARTS (cổng nối tiếp phần cứng),16 MHz dao độngtinh thể, kết nối USB, một jack cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset Nóchứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy