Nghiên cứu cảm biến ánh sáng dùng trong hệ thống tự động bám theo mặt trời

NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM THEO MẶT TRỜI A STUDY ON LIGHT SENSORS USED FOR AUTOMATIC SOLAR TRACKING SYSTEM TS VƯƠNG ĐỨC PHÚC; TS ĐÀO MINH QUÂN Khoa Điện- Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Cảm biến ánh sáng đóng vai trò quan trọng hệ thống tự động bám theo lượng mặt trời Khi cảm biến hoạt động xác, dễ lắp đặt giúp cho thiết kế lập trình cho hệ thống đơn giản nhiều Ngoài ra, chế tạo cảm biến có độ xác cao, rẻ làm giảm giá thành tăng khả ứng dụng hệ thống lượng điện mặt trời vào thực tiễn đời sống Abstract Solar sensor plays an important part in automatic solar tracking systems The design and program of solar tracker becomes very simple when reliable and integrative solar sensors are available In addition, price of solar system will be reduced and solar systems become more popular in our life if exact and cheap solar sensors are produced Key words: Solar cell, solar tracker, light sensor Giới thiệu GigaWatts Hệ thống tự động theo bám 120 100 lượng mặt trời (NLMT) [1] , [2] mục đích 100 tận thu tối đa nguồn lượng mặt trời Năng lượng mặt 71 80 trời có ưu điểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu bảo dưỡng thấp, an toàn cho 60 40 người sử dụng, thay nguồn 40 24 lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà 16 10 kính, bảo vệ môi trường Các hệ thống 20 0.60.70.80.91.21.41.82.22.8 5.4 Year lượng mặt trời bảo dưỡng miễn phí kéo dài nhiều thập kỷ Khơng gây ồn, khơng có phận chuyển động, khơng có mùi khó chịu khơng u cầu Hình Quá trình sử dụng lượng mặt trời phải thêm nhiên liệu Trên giới nói chung Việt Nam nói riêng NLMT ngày sử dụng nhiều (hình 1) với mức độ tăng trưởng bình quân hàng năm khoảng 65% [3] Do nghiên cứu nguồn NLMT có cảm biến ánh sáng cần mang tính ứng dụng cao biến ánh sáng dùng hệ thống tự động bám theo vị trí trời (hình 2) Tín hiệu sai từ cảm biến (vị trí cảm biến tham khảo hình 7a) tín đầu vào cho điều khiển điều khiển quay lượng mặt trời theo phương độ cao cho lượng nhận từ lớn Cảm biến ánh sáng e1 + - Bộ điều khiển Khuếch đại Cơ cấu thực Tấm lượng mặt trời Cảm biến ánh sáng Cảm biến ánh sáng thiết Cảm mặt lệch e2 + - Cảm biến ánh sáng Các phần dưới Hình Sơ đồ khối hệ thống bám theo mặt trời sâu vào dạng cảm biến cách xếp, sơ đồ đấu nối cảm biến hoạt động tin cậy, xác cho ứng dụng thực tiễn Các dạng cảm biến ánh sáng thường sử dụng 2.1 Điện trở quang φ hiệu Bộ vị tập trung ánh sáng, để đưa Hình Các loại điện trở quang kí hiệu Hình Đặc tính điện trở quang Điện trở quang (hình 3) thường mang tên CdS (The cadmium sulfide) hay LDR (light dependent resistor) có điện trở tỷ lệ nghịch với lượng ánh sáng rơi (Hình 4) Điện trở quang có đặc điểm giá thành thấp hoạt động tin cậy nên sử dụng phổ biến từ lâu nhiều ứng dụng mà kể đến báo khói, báo cháy, chống trộm, đầu đọc thẻ điều khiển hệ thống chiếu sáng Trong hệ thống theo bám NLMT điện trở quang sử dụng phổ biến [4], [5] 2.2 Tế bào quang điện I Đặc tính V-I Inm Đặc tính cơng suất V Hình Tế bào quang điện kí hiệu V0 Hình Đặc tính tế bào quang điện Tế bào quang điện (TBQĐ) biến đổi trực tiếp lượng ánh sáng thành điện (Hình 5, 6) Các TBQĐ hoạt động không phân biệt nguồn sáng mặt trời hay ánh sáng nhân tạo Chúng sử dụng rộng rãi tách sóng quang, phát ánh sáng, bức xạ điện từ, đo cường độ ánh sáng Do panel NLMT làm từ TBQĐ nên cảm biến ánh sáng sử dụng chúng có đồng tính chất điện, lượng giúp cho hệ thống theo bám NLMT hoạt động xác Sắp xếp phần tử cảm biến m Cả Vật che biế Cả n m q Cảm biến phương vị N biế n q Cảm biến độ cao Cảm biến W Tâm Tấm che E Tấm NLMT S a) b) Hình Cách xếp cảm biến ánh sáng: a Sắp xếp CdS; b Cách xếp khác Để cảm biến vị trí mặt trời hay vùng có NLMT lớn phải cần phần tử cảm biến ánh sáng Trong đó, hai cảm biến để xác định phương vị hai cảm biến để xác định độ lệch cho vùng có lượng lớn MPP (maximum power point) Những cảm biến xếp hình Chúng xếp vị trí tương ứng với hướng Đơng (E), Nam (S), Tây (W), Bắc (N) [2] Hình 7a thể cảm biến ánh sáng sử dụng CdS Tại trung tâm phần tử cảm biến CdS đặt vật hình trụ trịn với mục đích chắn sáng từ hướng khác Có nhiều hình thức để cảm biến độ sáng hướng thông qua việc bố trí cảm biến hay làm tường chắn sáng Hình 7b thể điều đó, phần tử ánh sáng đặt nghiêng q0 (thường 450) dùng tường chắn sáng cho phần tử ánh sáng Lưu ý cần đảm bảo đối xứng xác đặt nghiêng chế tạo tường chắn sáng (tấm che) Cách đấu nối cảm biến ứng dụng 4.1 Cách đấu nối cảm biến tử tới CdS1 CdS2 CdS3 CdS4 ánh C Nguồn Khi lựa chọn phần cảm biến ánh sáng, chúng cần nối mạch điện để cấp tín hiệu cho điều khiển Khi sử dụng phần tử cảm biến sáng CdS mạch điện phổ biến sử dụng thể hình [4] Các mắc nối tiếp với biến trở có giá trị đặt giá trị khoảng 1kΩ Việc dụng biến trở thay vì điện trở có giá trị để chỉnh định trường hợp có sai số Nguồn cung cấp nguồn chiều có giá trị từ 5-12VDC VE 2kW VR1 VW 2kW VR2 VS 2kW VR3 VN 2kW VR4 CdS 2kΩ sử 1kΩ CdS Hình Cách đấu nối cảm biến ánh sáng CdS Với cách mắc điện áp VW, VS, VN tính theo: V E, R VR1 R VR  ; VW  VSource VE  VSource R VR1  R CdS1 R VR  R CdS   R VR R VR V  V ; V  V Source N Source  S R VR  R CdS R VR  R CdS  (1) Các điện áp có giá trị phụ thuộc vào lượng ánh sáng rơi chúng dùng tín hiệu đầu vào cho điều khiển Với cách mắc có ưu điểm sai lệch điện áp VE- VW VS - VN không phụ thuộc nhiều vào điện áp nguồn cung cấp, mà hệ thống hoạt động ổn định hơn, nhiên sai lệch lại nhỏ ánh sáng thay đổi C1 Nguồn CdS1 V1 CdS3 V2 CdS2 CdS4 a Mắc CdS theo dạng sai lệch b Lấy tín hiệu sử dụng TBQĐ Hình Cách mắc lấy tín hiệu từ phần tử cảm biến ánh sáng Cách mắc hình 9a giúp giải nhược Điện áp V1, V2 nửa điện áp nguồn ánh sáng nhận từ phần tử cảm biến sáng Chỉ cần có thay đổi nhỏ lượng ánh sáng rơi CdS V1, V2 thay đổi lớn Với tín hiệu làm tín đầu vào cho điều khiển dễ nhận biết Tuy nhược điểm cách mắc phụ thuộc vào độ xác điện áp nguồn điểm hiệu nhiên Ngồi việc dùng CdS thì cịn dùng TBQĐ để cảm biến ánh sáng (hình 9b) Khi dùng TBQĐ Hình 10 Cảm biến ánh sáng sử dụng TBQĐ điều khiển nằm gần panel lượng ta có lấy trực tiếp điện áp từ TBQĐ làm tín hiệu (điện áp cho TBQĐ thường đến 0,58V) Còn điều khiển nằm xa ta cần thơng qua mạch chuyển đổi tín hiệu từ áp sang dòng (chuẩn 4-20mA) Khi sử dụng TBQĐ làm phần tử cảm biến ánh sáng, không cần nguồn cấp cho nên hoạt động ổn đinh điều kiện Chính đồng phần tử với NLMT giúp cho hệ thống tự động bám theo NLMT truy theo xác MPP So với việc sử dụng CdS thì cảm biến đắt tiền hơn, việc bố trí gặp khó khăn kích thước to (hình 10) 4.2 Ứng dụng hệ thống thực Dựa theo mô hình chế tạo thử nghiệm [6], [7], tác giả thực thực nghiệm hệ thống thực (hình 11) bao gồm NLMT gắn cố định (Fixed) mà ứng với vị trí điện áp nhận lớn vào thời gian khác Cụ thể số (V1) có điện áp lớn đạt tầm 10 giờ, số (V2) có điện áp lớn đạt tầm 11 giờ, số (V3) có điện áp lớn đạt tầm 12 giờ, số (V4) có điện áp lớn đạt tầm 13 Một ứng dụng cảm biến tự động bám theo mặt Hình 11 Hệ thống NLMT thử nghiệm trời (Auto) Ứng dụng cảm biến chế tạo từ hình 10 xây dựng hệ thống bám theo mặt trời với trục quay tự Một trục quay điều khiển phương vị, trục quay để thay đổi độ cao NLMT Với NLMT có thơng số cơng suất đỉnh 1,64W, điện áp lớn 8,2V, dịng lớn 200mA, kích thước 180x110x3,3mm hãng Solar center ta thu kết đạt hình 12 Nhận thấy điện áp nhận từ tự động bám theo mặt trời ln có điện áp lớn hơn, Điều dẫn tới công suất pin NLMT nhận lớn Thông qua thực nghiệm hiệu suất quay quanh trục đạt lớn từ 20% đến 40% so với lắp đặt cố định [7÷9] Kết luận Bài báo giới thiệu cách chế tạo cảm biến ánh sáng sử dụng hệ thống tự động bám theo NLMT Với mô hình cảm biến, ưu nhược điểm loại phân tích sở giúp người đọc hình dung loại cảm biến ánh sáng sử dụng từ có thêm giải pháp Hình 12 Điện áp thu từ NLMT tiếp cận với hệ thống liên quan đến ánh sáng, NLMT quan tâm Ngoài sở cho nhà chế tạo tiến sản phẩm sẵn có nhằm giảm giá thành, nâng cao chất lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chia-Yen Lee, Po-Cheng Chou, Che-Ming Chiang and Chiu-Feng Lin, “Review Sun Tracking Systems”, pp 3875-3890, Sensors 2009 [2] Jing-Min Wang and Chia-Liang Lu, “Design and Implementation of a Sun Tracker with a Dual-Axis Single Motor for an Optical Sensor-Based Photovoltaic System”, pp 3157-3168 2013 [3] http://www.abb-conversations.com/2013/12/7-impressive-solar-energy-facts-charts/ [4] J Rizk, A Hellany, M Nagrial, “Light Sensors for Solar Trackers”, pp 176-181, 2012 [5] Tamara A Papalias and Mike Wong, “Making Sense of Light Sensors”, Application notes, CA: Intersil Americas Inc [6] Bajpai, P.; Kumar, S, “Design, Development and Performance test of an Automatic Two-Axis Solar Tracker System” pp 1-6, Annual IEEE India Conference, Hyderabad, India 2011 [7] Yan, Z.; Jiaxing, Z, “Application of Fuzzy Logic Control Approach in a Microcontroller-Based Sun Tracking System” pp 161-164, Conference on Information Engineering, 2010 [8] Serhan, M.; El-Chaar, L, “Two Axis Sun Tracking System: Comparison with a Fixed System” pp 1-6, International Conference on Renewable Energies and Power Quality, 2010 [9] Deepthi.S, Ponni.A, Ranjitha.R, R Dhanabal, “Comparison of Efficiencies of Single-Axis Tracking System and Dual-Axis Tracking System with Fixed Mount” pp 425-430, Volume 2, Issue 2, IJESIT 2013  ... Một ứng dụng cảm biến tự động bám theo mặt Hình 11 Hệ thống NLMT thử nghiệm trời (Auto) Ứng dụng cảm biến chế tạo từ hình 10 xây dựng hệ thống bám theo mặt trời với trục quay tự Một trục quay... thiệu cách chế tạo cảm biến ánh sáng sử dụng hệ thống tự động bám theo NLMT Với mô hình cảm biến, ưu nhược điểm loại phân tích sở giúp người đọc hình dung loại cảm biến ánh sáng sử dụng từ có... Cả n m q Cảm biến phương vị N biế n q Cảm biến độ cao Cảm biến W Tâm Tấm che E Tấm NLMT S a) b) Hình Cách xếp cảm biến ánh sáng: a Sắp xếp CdS; b Cách xếp khác Để cảm biến vị trí mặt trời hay