Nghiên cứu, chế tạo hệ thống biến đổi năng lượng và chiếu sáng tiết kiệm điện năng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ CHIẾU SÁNG TIẾT KIỆN ĐIỆN NĂNG Sinh viên thực : PHAN THỊ PHƯƠNG THẢO Mã số sinh viên : 135D5202070079 LỚP 54K1 KTĐTTT Giảng viên hướng dẫn : ThS LƯƠNG NGỌC MINH NGHỆ AN - 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ CHIẾU SÁNG TIẾT KIỆN ĐIỆN NĂNG Sinh viên thực : PHAN THỊ PHƯƠNG THẢO Mã số sinh viên : 135D5202070079 Lớp 54K2 KTĐTTT Giảng viên phản biện : NGHỆ AN - 2018 Mẫu nhận xét đồ án dùng cho giảng viên hướng dẫn Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn) Giảng viên đánh giá:………………………………………………………………… Họ tên Sinh viên:Phan Thị Phương Thảo MSSV:135D5202070079 Tên đồ án: Nghiên cứu, chế tạo hệ thống biến đổi lượng chiếu sáng tiết kiệm điện Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có sử kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 5 Có khả phân tích đánh giá kết (15) Mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng 5 Trong phần kết luận, tác giả rõ sử khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, i đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Kết nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải 10a SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên 10b nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chun ngành 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét thêm Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét thái độ tinh thần làm việc sinh viên) Nghệ An, ngày… tháng 05 năm 2018 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) ii Mẫu nhận xét đồ án dùng cho cán phản biện Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá:………………………………………………………………… Họ tên Sinh viên: Phan Thị Phương Thảo MSSV:135D5202070079 Tên đồ án: Nghiên cứu, chế tạo hệ thống biến đổi lượng chiếu sáng tiết kiệm điện Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có sử kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 5 Có khả phân tích đánh giá kết (15) Mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng 5 Trong phần kết luận, tác giả rõ sử khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương iii logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Kết nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải 10 SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa a học (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên 10 nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở b lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chun ngành 10 c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét thêm Thầy/Cô Nghệ An, ngày… tháng 05 năm 2018 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) iv LỜI NÓI ĐẦU Trong vài năm trở lại đây, cụm từ “biến đổi khí hậu toàn cầu” nhắc đến cách thường xuyên hậu mà gây tượng: trái đất nóng dần, động đất, sóng thần, bão, lũ lụt… liên tục xẩy ra, hậu người để lại trình khai thác nguồn tài nguyên ngày cạn kiện sử dụng lượng cách thiếu hiệu gây lãng phí Việt Nam nước chịu ảnh hưởng nặng nề việc “biến đổi khí hậu”, nên vấn đề biến đổi lượng tiết kiệm điện đưa giải pháp hữu hiệu cần nghiên cứu triển khai cách nghiêm túc Năng lượng gồm có loại: Năng lượng tái tạo lượng không tái tạo Hiện nay, nước ta nhiều nước khác khai thác dạng lượng thương mại truyền thống là: thủy năng, than đá, dầu – khí nguyên tử Ngoài thủy năng lượng tái tạo, loại cịn lại thuộc dạng lượng khơng tái tạo, có nghĩa khai thác đến mức độ hết Sử dụng lượng cần gắn liền với bền vững môi trường, hạn chế ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu Và xu hướng việc sử dụng lượng tận dụng nguồn tài nguyên vô tận, thân thiện với môi trường lượng tái tạo lượng mặt trời, gió, thủy triều, sóng biển, thủy năng, chất thải, … Hiện nay, hầu hết người biết đến nguồn lượng mặt trời vơ tận, với khí hậu Việt Nam quốc gia có lượng nắng trung bình ngày cao, khoảng nắng ngày Đây điều kiện thuận lợi để sử dụng hiệu triệt để nguồn lượng vô tận từ mặt trời Tại Việt Nam, điện dùng cho chiếu sáng chiếm 35% tổng điện tiêu thụ nước số giới tỷ lệ chiếm khoảng 15 -17% Trong đó, hệ thống chiếu sáng công cộng lĩnh vực tiêu tốn nhiều lượng thiết kế, lắp đặt thiết bị sử dụng chiếu sáng cịn lãng phí, chưa hiệu Do vậy, giảm bớt lượng điện chiếu sáng không cần thiết vấn đề quan tâm Với mục đích đó, đồ án “Nghiên cứu, chế tạo hệ thống biến đổi lượng chiếu sáng tiết kiệm điện năng” nghiên cứu thực hy vọng triển khai vào thực tiễn, đáp ứng yêu cầu đề Trong q trình làm đồ án, tơi nhận hướng dẫn nhiệt tình giúp đỡ Th.S Lương Ngọc Minh Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giúp đỡ tơi hồn thành đồ án tốt nghiệp Để có kinh nghiệm kiến thức quý báu để thực đề tài để chuẩn bị hành trang bước vào sống, ghi nhớ cảm ơn giảng dạy tận tình, ân cần quan tâm thầy cô giáo Viện Kỹ Thuật Và Công Nghệ - Trường Đại Học Vinh suốt thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình hồn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp Do kiến thức nhiều hạn chế, nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận đánh giá phê bình thầy cô Nghệ An, ngày 24 tháng năm 2018 Sinh viên thực Phan Thị Phương Thảo TÓM TẮT Ngày nay, lượng vấn đề mang tính sống cịn nhân loại Làm để vừa sử dụng hiệu nguồn tài nguyên thiên nhiên khơng tái tạo sẵn có, tìm cánh sử dụng triệt để nguồn lượng xanh, sử dụng cách vô tận câu hỏi nhận quan tâm Năng lượng lấy từ ánh sáng mặt trời, gió, nước, nguồn tài nguyên Nhất lượng mặt trời, phù hợp để nghiên cứu sử dụng với khí hậu Việt Nam Với mục đích đó, tơi tìm hiểu nghiên cứu đề tài đồ án: “Nghiên cứu, chế tạo hệ thống biến đổi lượng chiếu sáng tiết kiệm điện năng” Đồ án tập trung nghiên cứu hệ thống biến đổi lượng mặt trời sang dòng điện xoay chiều 220V-50Hz; nghiên cứu thực nguồn Inverter biến đổi dòng xoay chiều sang dịng điện chiều 12V thực ứng dụng hệ thống chiếu sáng đường phố pin mặt trời, sử dụng đèn Led tiết kiệm điện kết hợp với PIC để điều khiển Chương 1: Trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Nghiên cứu hệ thống chiếu sáng tiết kiệm điện Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế mơ hình biến đổi lượng chiếu sáng tiết kiệm điện Với tiến không ngừng khoa học kỹ thuật, hứa hẹn ngày mà người kiểm sốt hồn tồn nguồn tài ngun vơ tận quý báu thiên nhiên để phục vụ cho mục đích sản xuất sinh hoạt đời sống không xa Đây đề tài tiềm mở hướng phát triển vấn đề tiết kiệm lượng vốn ngày chiếm vị trí quan trọng đời sống ABSTRACT Today, energy is one of the vital problems of mankind How to effectively use the sources of non-renewable natural resources available, search the wings use radically new green energy sources, clean and can use an endless way the question is always getting the most interest Green energy (or renewable energy) is energy which comes from natural resources such as solar, wind, rain, tides, and geothermal heat, which are renewable (naturally replenished) Especially, Solar Energy is very suitable for using in Vietnam, a tropical country With that idea, we have researched the project: “Research and manufacture energy coversion systems and energy-lighting” This project will focus on converting Solar Energy into electricity AC 220V/50Hz; applying to LED road-lighting controlled by PIC Chapter 1: Presents an overview of research issues Chapter 2: Research on lighting systems save energy Chapter 3: Please enter here to translate conten With progress of science, the day that the human can control natural energy sources is not far This is a potential project and it opens many ways to saving energy, a problem that is very important in our life nowadays Giá tiền bóng 150.000đ 30.000đ Ắcquy 6Ah/12V Giá Ắcquy 260.000 đ Nơi bán Việt Nam Việt Nam Tuổi thọ Ắcquy 10 năm C/S Pin mặt 15W trời Giá Pin MT 340.000 Nơi bán 30 năm Tuổi thọ Giờ chiếu sáng/ 10 10 ngày Tổng điện 0,15KWx10hx30=45KWh tiêu thụ/ tháng Thành tiền/tháng 45KWhx1.242đ/KWh = 55.890đ Sau 10 năm: Tiền điện 55.890đx 10năm x 12tháng = 0đ 6.706.800đ Tiền bóng 150.000đ x bóng = 300.000đ Tổng tiền [1] 7.006.800đ 30.000đx5 bóng = 150.000đ Tiền Ắcquy 260.000đ x = 1.300.000 Tiền Pin mặt 340 x = 1.700.000 (Đầu tư trời ban đầu: 1.700.000đ) Tiền mạch 400.000đ 57 3.550.000đ (Đầu tư ban Tổng tiền [2] đầu) Từ bảng so sánh giá thành, chi phí hệ thống đèn Led tiết kiệm điện loại đèn cao áp thông thường ta thấy: Xét chi phí ban đầu, hệ thống đèn led tiết kiệm có chi phí ban đầu lớn, xét lâu dài, cụ thể sau khoảng 10 năm, ta thấy rõ chênh lệch loại, xét cột đèn, bỏ qua kinh phí chung cột đèn, giá đỡ, ta thấy chi phí phát sính sau 10 năm hệ thống đèn cao áp 7.006.800đ xong với hệ thống đèn Led 3.550.000đ, tiết kiệm 49.3% chi phí ban đầu 3.6 Thiết kế thi cơng mạch 3.6.1 Thiết kế thi cơng mạch sạc acquy Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển sạc acquy Hình 3.7 Mơ mạch điều khiển sạc acquy phần mềm Altium 58 Hình 3.8 Mạch sạc acquy hồn thiện 3.6.2 Thiết kế thi công mạch cảm biến sáng tối Hình 3.9 Nguyên lý mạch cảm biến sáng tối Hình 3.10 Mạch cảm biến sáng tối 59 3.6.3 Khối chuyển đổi DC/AC Hình 3.11 Mạch nguyên lý chuyển đổi AC/DC Hình 3.12 Mạch chuyển đổi DC/AC 3.6.4 Thiết kế thi công mạch điều khiển Led Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Led 60 Hình 3.14 Mạch điều khiển Led 3.7 Kết thu Hình 3.14 Hình ảnh hệ thống chiếu sáng tiết kiệm lượng Đồ án xây dựng thành cơng nguồn xung, chuyển dịng điện xoay chiều 220V, 50Hz sang dòng điện chiều 12V ổn định Đồ án xây dựng thành công mạch nạp ắcquy, giúp quản lý trình sạc điện từ pin mặt trời xuống ắcquy, ắcquy đầy mạch ngắt dịng nạp xuống Xây dựng thành công mạch sử dụng cảm biến ánh sáng, hệ thống chiếu sáng tự động bật tắt dựa vào mơi trường ngồi 61 Tính tốn thiết kế hệ thống chiếu sáng tiết kiệm điện Tính tốn thơng số khối 3.8 Hạn chế khắc phục 3.8.1 Hạn chế Công suất bảng đèn Led cao địi hỏi kích thước Ắc quy Pin mặt trời lớn Với bảng đèn Led 30W chiếu sáng liên tục cần dung lượng Ắc quy 20Ah, diện tích pin mặt trời khoảng 24 inch 3.8.2 Khắc phục Diện tích Pin mặt trời lớn, kéo theo gia tăng giá thành, khó khăn lắp đặt, để chiếu sáng liên tục vài ngày cần có số nguồn cung cấp khác, tuabin gió, dịng điện lưới khắc phục 3.9 Hướng phát triển đề tài Qua trình tìm hiểu nghiên cứu đề tài đồ án, nhận thấy đề tài tiềm năng, phát triển theo nhiều hướng nhằm phục vụ mục đích cơng việc khác Hệ thống đèn chiếu sáng tiết kiệm lượng cung cấp để chiếu sáng đường phố cịn triển khai lắp đặt vùng cách xa điện lưới miền núi, hải đảo, Hệ thống biến đổi lượng hệ thống có ứng dụng rộng rãi đời sống, Năng lượng lấy từ pin mặt trời, qua chuyển đổi DC/AC cung cấp nguồn làm điện sinh hoạt với thiết bị có cơng suất vừa phải Ngồi nguồn cung cấp lượng mặt trời, triển khai tương tự với hệ thống kết hợp tuabin gió Sử dụng hệ thống động gắn vào hệ thống pin mặt trời đề di chuyển góc từ Đơng-Tây nhằm đón ánh sáng cách tốt Với thời tiết khí hậu Việt Nam, tình trạng nhiều ngày khơng có nắng, để hệ thống chiếu sáng làm việc ổn định hệ thống cần có kết nối với mạng điện lưới pin mặt trời không cung cấp đủ lượng Xây dựng hệ thống điều khiển quản lý máy chủ trung tâm, liệu 62 điều khiển, tình trạng hoạt động thiết bị điều khiển có phản hồi trung tâm có cố Như tồn hệ thống giám sát cách chặt chẽ khoa học 63 KẾT LUẬN CHUNG Đồ án tốt nghiệp hoàn thành giải yêu cầu đặt trước Về lý thuyết, nghiên cứu sâu hệ thống biến đổi lượng trường hợp chuyển hóa lượng mặt trời thành điện xoay chiều có hiệu điện 220V, 50Hz Đồng thời biến đổi dịng xoay chiều thành dịng điện chiều 12V để cung cấp cho hệ thống chiếu sáng tiết kiệm điện Về phần thiết kế xây dựng hệ thống, đồ án thành công việc thiết kế nguồn Inverter, tính tốn cơng suất nguồn, dung lượng cần thiết Ắcquy kích thước pin mặt trời hệ thống chiếu sáng Thiết kế mạch sạc Ắcquy, mạch sử dụng cảm biến ánh sáng để ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng tiết kiệm điện dùng pin mặt trời Hướng phát triển đề tài: Sử dụng hệ thống động gắn vào hệ thống pin mặt trời đề di chuyển góc từ Đơng-Tây nhằm đón ánh sáng cách tốt Kết hợp hệ thống pin mặt trời với hệ thống tuabin gió, lúc không cần đến điện lưới phương án dự phịng Năng lượng thu được, thơng qua chuyển đổi DC-AC hứa hẹn đủ để cung cấp làm điện sinh hoạt cho thiết bị có cơng suất vừa phải Xây dựng hệ thống điều khiển quản lý máy chủ trung tâm, liệu điều khiển, tình trạng hoạt động thiết bị điều khiển có phản hồi trung tâm có cố Như tồn hệ thống giám sát cách chặt chẽ khoa học Triển khai lắp đặt hệ thống vào thực tế, vùng xa điện lưới miền núi, hải đảo, Có kết trên, nỗ lực thân, nhận quan tâm giúp đỡ, bảo tận tình thầy cơ, cha mẹ bạn bè suốt thời gian thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn! 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Thị Quỳnh Trang, Kỹ thuật cảm biến, Trường Cao đẳng cơng nghiệp, 2013 [2] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình vi xử lý, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, 2006 [3] Texas Instruments Incorporated, Transformer Design, 2001 [4] Power Intergration, Design Example Report, 2004 [5] VNEEP, Chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu (Bộ Công Thương) [6] Phạm Minh Hà, Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1997 [7] Lê Chí Kiên, Giáo trình đo lường cảm biến, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hồ Chí Minh, 2013 65 PHỤ LỤC Code PIC16F877A #include // char Option=0; // //!void _HienThi(unsigned char Chuoi[]); // #INT_EXT void _NgatNgoai(void) { Option=Option+1; if(Option>3) { Option=0; } delay_ms(200); } // // void main() { //khai bao bien cuc bo o day unsigned char* pTimeArray; //! unsigned char* pDateArray; signed char Gio=20,Phut=22,Giay=10; lcd_init(); lcd_putc('\f'); enable_interrupts(INT_EXT); enable_interrupts(INT_EXT_H2L); enable_interrupts(GLOBAL); output_bit(LED_DON,1); while(1) { lcd_clear(); while(Option==0) { pTimeArray = Get_DS1307_RTC_Time(); lcd_line_1(); printf(lcd_putc,"%02d:%02d:%02d",pTimeArray[2],pTimeArray[1],pTimeArray[0]); //! switch(pTimeArray[3]) //! { //! case AM_Time: printf(lcd_putc,"AM"); break; //! case PM_Time: printf(lcd_putc,"PM"); break; //! default: lcd_putc('H'); break; //! } lcd_line_2(); printf(lcd_putc,"H.GIO:%02d:%02d:%02d",Gio,Phut,Giay) if(pTimeArray[2]==Gio && pTimeArray[1]==Phut && pTimeArray[0]==Giay) { output_bit(LED_DON,0); } //! else //! { //! output_bit(LED_DON,1); //! } //! pDateArray = Get_DS1307_RTC_Date(); //! lcd_gotoxy(1,2); //!printf(lcd_putc,"%02d-%02d%02d",pDateArray[1],pDateArray[2],pDateArray[3]); //! switch(pDateArray[0]) //! { //! case Monday: printf(lcd_putc,"MON"); break; //! case Tuesday: printf(lcd_putc,"TUE"); break; //! case Wednesday: printf(lcd_putc,"WED"); break; //! case Thursday: printf(lcd_putc,"THU"); break; //! case Friday: printf(lcd_putc,"FRI"); break; //! case Saturday: printf(lcd_putc,"SAT"); break; //! case Sunday: printf(lcd_putc,"SUN"); break; //! default: printf(lcd_putc,"???"); break; //! } delay_ms(200);//chong giat man hinh } lcd_clear(); while(Option==1) { lcd_line_1(); printf(lcd_putc,"SET GIO:%02d",Gio); if(TANG==0) { while(TANG==0); Gio=Gio+1; if(Gio>23) { Gio=0; } } else if(GIAM==0) { while(GIAM==0); Gio=Gio-1; if(Gio59) { Phut=0; } } else if(GIAM==0) { while(GIAM==0); Phut=Phut-1; if(Phut59) { Giay=0; } } else if(GIAM==0) { while(GIAM==0); Giay=Giay-1; if(Giay