Giáo trình Điều khiển kỹ thuật cảm biến và điều khiển điện thông minh (Nghề Điện dân dụng)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH NỘI BỘ MƠ ĐUN: ĐIỀU KHIỂN KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN THÔNG MINH NGHỀ ĐÀO TẠO: ĐIỆN DÂN DỤNG (Áp dụng cho trình độ: Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2019 LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Điều khiển kỹ thuật cảm biến điều khiển điện thông minh biên soạn theo Mô đun 23 nghề Điện dân dụng thuộc khung chương trình nội ban hành năm 2019 Nhằm phục vụ cho giảng dạy giáo viên học tập học sinh trung cấp trường Cao đẳng Lào Cai Nội dung giáo trình gồm bài: Bài 1: Điều khiển cảm biến nhiệt độ Bài 2: Kết nối, khảo sát cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách Bài 3: Đo vận tốc vịng quay góc quay Bài Lắp đặt hệ thống KNX Bài 5: Bài tập vận dụng Bai Lắp đặt hệ thống lượng tái tạo Trong q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp phản hổi quý báu bạn đọc để giúp chỉnh sửa giáo trình hồn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa chỉ: khoa Điện – Điện tử, trường Cao đẳng Lào Cai gửi thư điện tử hòm thư: khoadiencdnlc@gmail.com Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC Bài 1: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 2.1 Đại cương cảm biến nhiệt độ 2.1.1 Thang đo nhiệt độ 2.1.2 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo 2.2 Nhiệt điện trở Platin Nikel 2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ 2.2.2 Nhiệt điện trở Platin 2.2.3 Nhiệt điện trở Nikel 2.2.4 Cách nối dây đo nhiệt điện trở 2.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 10 2.3.1 Nguyên tắc chung 10 2.3.2 Đặc trưng kỹ thuật dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) 11 2.4 IC cảm biến nhiệt độ 12 2.4.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 National Semiconductor 12 2.4.2.Cảm biến nhiệt độ AD 590 Analog Devices 13 2.5 Nhiệt điện trở NTC 14 2.5.1 Cấu tạo 14 2.5.2 Ký hiệu 14 2.5.3 Đặc tính cảm biến nhiệt NTC 14 2.5.4 Ứng dụng 14 2.6 Nhiệt điện trở PTC 15 2.6.1 Cấu tạo 15 2.6.2 Ký hiệu 15 2.6.3 Đặc tính cảm biến nhiệt PTC 15 2.7 Ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ 16 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 25 Bài 2: LẮP ĐẶT, KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN 37 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 37 3.1 Cảm biến tiệm cận 37 3.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 38 3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung 41 3.1.3 Cảm biến tiệm cận siêu âm 45 3.1.4 Cấu hình ngõ cảm biến tiệm cận 48 3.1.5 Cách kết nối cảm biến tiệm cận với 49 3.2 Các tập ứng dụng loại cảm tiệm cận 50 3.2.1 Lắp đặt mạch điều khiển dùng cảm biến tiệm cận điện cảm 51 3.2.2 Lắp đặt mạch điều khiển dùng cảm biến tiệm cận điện dung 51 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 52 Bài 3: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY 56 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 56 4.1 Một số phương pháp 56 4.1.1 Đo vận tốc vòng quay phương pháp analog 56 4.1.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 59 4.1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 61 4.2 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 62 4.2.1 Nguyên tắc đo 62 4.2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 hãng Philips Semiconductor 62 4.2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 65 4.2.4 Máy đo góc tuyệt đối 66 4.3 Các tập ứng dụng 68 4.3.1 Lắp đặt kết mạch điều khiển dùng cảm biến đo tốc độ động 68 Bài 4: LẮP ĐẶT HỆ THỐNG KNX 69 4.1 Khái quát chung hệ thống KNX 69 4.1.1 Lịch sử phát triển 69 4.1.2 Thành phần thiết bị cốt lõi 69 4.1.3 Mơ hình giao tiếp kết nối 69 4.1.4 Cấu hình kết nối, phân bố thiết bị 72 4.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm ETS 75 4.2.1 Chức năng, nhiệm vụ vùng 75 4.2.2 Xây dựng kiến trúc điều khiển 76 4.2.3 Khai báo biến điều khiển 77 4.2.4 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống 78 BÀI BÀI TẬP VẬN DỤNG 79 5.1 Điều khiển chiếu sáng 79 5.1.1 Yêu cầu công nghệ 79 5.1.2 Lựa chọn thiết bị liên kết mạch điện 79 5.1.3 Thiết lập chương trình điều khiển ETS nạp chương trình 79 5.1.4 Vận hành mạch điện 80 5.2 Điều khiển rèm cửa 80 5.2.1 Yêu cầu công nghệ 80 5.2.2 Lựa chọn thiết bị liên kết mạch điện 81 5.2.3 Thiết lập chương trình điều khiển ETS nạp chương trình 81 5.2.4 Vận hành mạch điện 81 5.3 Điều khiển cổng Gara 82 5.3.1 Yêu cầu công nghệ 82 5.3.2 Lựa chọn thiết bị liên kết mạch điện 82 5.3.3 Thiết lập chương trình điều khiển ETS nạp chương trình 82 5.3.4 Vận hành mạch điện 83 5.4 Điều khiển tổng hợp 83 5.4.1 Yêu cầu công nghệ 83 5.4.2 Lựa chọn thiết bị liên kết mạch điện 83 5.4.3 Thiết lập chương trình điều khiển ETS nạp chương trình 83 5.4.4 Vận hành mạch điện 84 BÀI LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 85 6.1 Lý thuyết lượng tái tạo 85 6.1.1 Khái niệm phân loại lượng tái tạo 85 6.1.2 Vai trò lượng tái tạo 88 6.2 Năng lượng mặt trời 90 6.2.1 Khái niệm phân loại lượng mặt trời 90 6.2.2 Vai trò lượng mặt trời 91 6.3 Năng lượng gió 93 6.3.1 Khái niệm 93 6.3.2 Các đại lượng liên quan đến lượng gió 93 6.3.3 Khảo sát thực hành tua bin gió pha 400W 93 6.3.4 Vận hành thực hành tích hợp lượng mặt trời lượng gió giám sát máy tính 94 6.4 Lắp đặt hệ thống lượng mặt trời 94 6.4.1 Khảo sát phần tử hệ thống điện lượng mặt trời 94 6.4.2 Lắp đặt hệ thống điện lượng mặt trời 95 Bài 1: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 2.1 Đại cương cảm biến nhiệt độ Nhiệt độ số đại lượng, có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật chất Đo nhiệt độ đóng vai trị quan trọng sản xuất cơng nghiệp nhiều lĩnh vực khác Bởi nghiên cứu khoa học, công nghiệp đời sống, việc đo nhiệt độ cần thiết Tuy nhiên việc xác định xác nhiệt độ vấn đề không đơn giản Đa số đại lượng vật lý xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với đại lượng chất Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp dựa vào phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi nhiệt độ đại lượng cần đo Hiện thị trường có nhiều loại cảm biến nhiệt độ, chúng có đặc điểm khác tùy vào ứng dụng thực tế, dùng hệ thống HV hệ thống điều khiển môi trường AC, trang bị y tế, cảm biến xử lý thực phẩm, xử lý hóa chất, hệ thống điều khiển ô tô, đo nhiệt độ bồn đun nước, đun dầu, đo nhiệt độ lò nung, lị sấy, đo nhiệt độ loại máy móc… 2.1.1 Thang đo nhiệt độ a Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852) Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ K Trong thang đo người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái: nước nước đá - giá trị có trị số bằng: 273,15 K b Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742) Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ oC Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T (oC)= T(K) - 273,15 (2.1) c Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706) Đơn vị nhiệt độ oF Trong thang đo này, nhiệt độ điểm nước đá tan 32oF điểm nước sôi 212oF Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit nhiệt Celssius: °C = 5/9 (F – 32) (2.2) °F = 9/5 (C + 32) (2.3) Bảng 2.1 Bảng cho giá trị tương ứng số nhiệt độ quan trọng theo thang đo khác Nhiệt độ Kelvin Celsius ( C) o (K) Fahrenheit o ( F) Điểm tuyệt đối - 273,15 -459,67 Hỗn hợp nước đá 273,15 32 Cân nước - nước đá - 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212 2.1.2 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo Giả sử mơi trường đo có nhiệt độ thực Tx, đo ta nhận nhiệt độ Tc nhiệt độ phần tử cảm nhận cảm biến Nhiệt độ Tx gọi nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi nhiệt độ đo Điều kiện để đo nhiệt độ phải có cân nhiệt mơi trường đo cảm biến Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không đạt tới nhiệt độ mơi trường Tx, tồn chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc định Độ xác phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx – Tc, hiệu số nhỏ, độ xác phép đo cao Muốn đo cần phải: + Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến môi trường cần đo.Giảm trao đổi nhiệt cảm biến mơi trường bên ngồi + Để tăng cường trao đổi nhiệt môi trường có nhiệt độ cần đo cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ngồi tiếp điểm, dẫn từ phần tử cảm nhận mạch đo bên ngồi phải có hệ số dẫn nhiệt thấp 2.2 Nhiệt điện trở Platin Nikel 2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt điện trở điện trở có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi điện trở thay đổi Với kim loại, chuyển động hạt mang điện theo hướng thành dòng điện kim loại Sự chuyển động lực học hay điện trường gây nên điện tích âm hay dương chuyển động theo chiều ngược Dưới tác dụng nhiệt độ làm cho chuyển động thay đổi giá trị điện trở thay đổi Có thể nhiệt độ tăng điện trở tăng nhiệt độ tăng điện trở giảm Khi chế tạo nhiệt điện trở người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn khung chịu nhiệt đặt vào hộp có vỏ đặc biệt đưa đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R) Trong thực tế nhà sản xuất chế tạo nhiệt điện trở có giá trị khoảng từ 10() đến 100() Nhiệt điện trở thường chế tạo từ vật liệu có khả chịu nhiệt như: Đồng, Nikel, Platin Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn sử dụng rộng rãi nhiều Xong nhược điểm điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ kích thước lớn, cồng kềnh, có qn tính nhiệt lớn 2.2.2 Nhiệt điện trở Platin Platin vật liệu cho nhiệt điện trở dùng rộng rãi cơng nghiệp + Có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99,999%) tăng độ xác tính chất điện + Có tính trơ mặt hố học tính ổn định cấu trúc tinh thể cao đảm bảo tính ổn định cao đặc tính dẫn điện trình sử dụng + Hệ số nhiệt điện trở 00C 3,9.10-3 /0C + Điện trở 1000C lớn gấp 1,385 lần so với 00C + Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -2000C ÷ 10000C Có tiêu chuẩn nhiệt điện trở platin, khác chúng nằm mức độ tinh khiết vật liệu Hầu hết quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần vào năm 1986, lần vào 1995) Riêng USA tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng 2.2.3 Nhiệt điện trở Nikel + Có độ nhạy nhiệt cao 4,7.10-3/0C + Điện trở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với 00C + Dễ bị oxy hoá nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định + Dải nhiệt độ làm việc thấp 2500C Nhiệt điện trở Nikel so sánh với Platin rẻ tiền có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp lần (6,18.10-3 0C) Tuy nhiên dải đo từ -600C đến +2500C, 3500C hệ số nhiệt điện trở Nikel không ổn định Cảm biến nhiệt Nikel thường dùng cơng nghiệp điều hồ nhiệt độ phòng 2.2.4 Cách nối dây đo nhiệt điện trở Hiện nhà sản xuất sản xuất nhiệt điện trở dây, dây, dây nên ta có kỹ thuật nối dây đo Tiêu chuẩn IEC 751– 1983 yêu cầu dây nối đến đầu nhiệt điện trở phải có màu giống (đỏ trắng) dây nối đến đầu phải khác màu a Kỹ thuật hai dây Đây loại cấu hình dây đơn giản độ xác thấp Điện trở dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ xác Dây nối dài ảnh hưởng lớn Hình 2.1 Kỹ thuật hai dây Giữa nhiệt điện trở mạch đo nối hai dây Bất dây dẫn điện có điện trở, điện trở nối nối tiếp với nhiệt điện trở Với hai điện trở hai dây đo, mạch điện trở nhận điện cao điện cần đo Kết ta có thị nhiệt kế cao nhiệt độ cần đo Nếu khoảng cách xa, điện trở dây đo lên đến vài Ohm gây sai số cho phép đo Để tránh sai số phép đo điện trở dây đo gây ra, người ta bù trừ điện trở dây đo cách Dùng biến trở bù nối vào hai dây đo chỉnh biến trở cho có thị 00C bù lại điện trở dây đo gây sai số b Kỹ thuật ba dây Hình 2.2 Kỹ thuật ba dây Có sợi dây nối từ RTD thay dây L1 L3 dẫn dịng đo, L2 có vai trị dây chiết áp Lý tưởng điện trở dây L1 L3 khơng có Trở kháng R3 với trở kháng phần tử cảm biến Rt Với cách nối dây ta có hai mạch đo hình thành, hai mạch dùng làm mạch chuẩn Với kỹ thuật dây, sai số cho phép đo điện trở dây đo thay đổi nhiệt độ khơng cịn Tuy nhiên dây đo cần có trị số kỹ thuật có nhiệt độ Kỹ thuật dây phổ biến c Kỹ thuật bốn dây 10 Hình 2.3 Kỹ thuật bốn dây Loại khắc phục lỗi trở kháng điểm nối gây Dòng điện từ nguồn dòng đến L1 đến dây L4; Dây L2 L3 đo áp rơi RTD Với nguồn dịng cố định phép đo xác Loại cấu hình có giá thành cao so với cấu hình hay dây Tuy nhiên địi hỏi xác cao nên lựa chọn loại cấu hình (trong phịng thí nghiệm, dùng cơng nghiệp) Với kỹ thuật dây người ta đạt kết đo tốt Hai dây dùng dịng điện khơng đổi qua nhiệt điện trở Hai dây khác dùng làm dây đo điện nhiệt điện trở Trường hợp tổng trở ngõ vào mạch đo lớn so với điện trở dây đo, điện trở dây đo coi khơng đáng kể Điện đo không bị ảnh hưởng điện trở dây đo thay đổi nhiệt 2.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 2.3.1 Nguyên tắc chung Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic ngày đóng vai trị quan trọng hệ thống điện tử Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, xác, phí tổn thấp, tích hợp IC với phận khuếch đại yêu cầu xử lí tín hiệu khác Hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức độ phức tạp cao chạy nhanh Kỹ thuật cảm biến nhiệt truyền thống cặp nhiệt, nhiệt điện trở có đặc tuyến khơng tuyến tính u cầu điều chỉnh để chuyển đổi xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện (dòng áp) thay dần cảm biến Silic với lợi điểm nhỏ gọn mạch điện tích hợp dễ sử dụng Silic tinh khiết đơn tinh thể Silic có hệ số điện trở âm, nhiên kích tạp chất loại N nhiệt độ hệ số điện trở trở thành dương Khoảng nhiệt độ sử dụng từ - 50oC đến 150 oC Sự thay đổi nhiệt điện trở suất Silic phụ thuộc vào nồng độ chất pha nhiệt độ + Nếu nhiệt độ nhỏ 120 oC (dải nhiệt độ làm việc) điện trở suất tăng nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt điện trở nhỏ nồng độ pha tạp nhiều 84 + Bước 1: Tạo New Project: Đặt tên, chọn chế độ kết nối, địa nhóm + Bước 2: Tạo cơng trình kiến trúc thu nhỏ đến cấp Phòng + Bước 3: Cài đặt thiết bị KNX lên phòng Nếu chưa có Datasheet thiết bị KNX phải Import + Bước 4: Cài đặt địa nhóm theo nhóm điều khiển + Bước 5: Cài đặt tham số cho thiết bị KNX trang Parameter + Bước 6: Gán địa nhóm lên thiết bị KNX + Bước 7: Kiểm tra kết nối USB địa vật lý + Bước 8: Download xuống thiết bị KNX tương ứng 5.4.4 Vận hành mạch điện Vận hành mạch điện điều khiển theo chức 85 BÀI LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 6.1 Lý thuyết lượng tái tạo 6.1.1 Khái niệm phân loại lượng tái tạo a) Khái niệm Năng lượng tái tạo hay lượng tái sinh lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực người vơ hạn lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng địa nhiệt Nguyên tắc việc sử dụng lượng tái sinh tách phần lượng từ quy trình diễn biến liên tục môi trường đưa vào sử dụng kỹ thuật Các quy trình thường thúc đẩy đặc biệt từ Mặt Trời Năng lượng tái tạo thay nguồn nhiên liệu truyền thống lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, hệ thống điện độc lập nông thơn b) Phân loại lượng tái tạo Có nhiều dạng lượng tái tạo Phần lớn dạng lượng phục hồi, cách hay cách khác phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời Năng lượng từ gió lượng thủy điện kết trực tiếp chênh lệch nhiệt độ nóng lên bề mặt Trái đất, dẫn đến khơng khí chuyển động (gió) lượng mưa hình thành bầu khơng khí nâng lên (liên quan đến thủy điện) Năng lượng mặt trời chuyển đổi trực tiếp từ ánh sáng sang điện hiệu ứng quang điện (thông qua pin lượng mặt trời) Năng lượng sinh khối lưu trữ ánh sáng mặt trời chứa thực vật Các dạng lượng tái sinh khác không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời lượng địa nhiệt, kết phân rã phóng xạ từ khống vật lớp vỏ Trái đất kết hợp với với nhiệt tâm Trái đất, lượng thủy triều chuyển đổi lượng hấp dẫn * Năng lượng mặt trời Con người biết cách ứng dụng lượng mặt trời hàng ngàn năm qua để trồng trọt, sưởi ấm làm khô thức ăn Theo Phịng thí nghiệm lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL) chiếu sáng Mặt trời xuống Trái đất, tất nguồn lượng đủ để giới sử dụng năm Ngày nay, sử dụng ánh nắng mặt trời theo nhiều cách sưởi ấm ngơi nhà, làm nóng nước, tạo điện cung cấp cho thiết bị điện – điện tử… Tế bào quang điện (solar cell) chủ yếu làm từ silicon vật liệu khác có khả biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện Hệ thống lượng mặt trời ngày ứng dụng trực tiếp với quy mô lớn nhỏ khác mái nhà dân, doanh nghiệp cộng đồng hợp tác xã Các hệ thống giúp tạo nguồn điện dồi không ảnh hưởng mặt sinh thái Năng lượng mặt trời cung cấp 1% sản lượng điện Hoa Kỳ, chiếm gần phần ba công suất phát “điện mới”, đứng sau khí đốt tự nhiên (số liệu 2017) 86 Hệ thống phát điện pin lượng mặt trời không sản sinh chất gây nhiễm khơng khí đặc biệt khơng tạo CO2 (gây hiệu ứng nhà kính), miễn chúng lắp đặt cách hầu hết pin lượng mặt trời tác động đến mơi trường * Năng lượng từ gió Sự chuyển động khí thúc đẩy chênh lệch nhiệt độ bề mặt Trái đất, lượng nhiệt từ xạ mặt trời chiếu lên bề mặt Trái đất thay đổi liên tục Năng lượng gió sử dụng để ứng cho hệ thống bơm nước tạo điện, công nghệ địi hỏi phải có khơng gian rộng để tạo lượng lượng đáng kể Ngày nay, tuabin gió xây dựng cao (bằng với tịa nhà chọc trời), với đường kính cánh gió lớn Nhưng cơng cụ giúp sản xuất lượng điện tương đối lớn dựa vào sức gió thổi Năng lượng từ gió biết đến nguồn lượng rẻ vài quốc gia giới Có thể kể đến tiểu bang California, Texas, Oklahoma, Kansas Iowa Hoa Kỳ sở hữu khu vực có tốc độ gió cao giúp sản xuất lượng điện gió dồi 87 * Thủy điện Thủy điện nguồn lượng tái tạo dẫn đầu hầu hết quốc gia, với nhà máy thủy điện quy mô lớn Thủy điện phụ thuộc vào nước – thường dòng nước chảy với tốc độ nhanh sông nước chảy nhanh từ cao xuống thác, tận dụng sức nước để thiết lập tuabin máy phát điện Tuy nhiên, giới nhiều nhà máy thủy điện lớn hay đập thủy điện siêu lớn không xem nguồn lượng tái tạo Bởi đập làm chuyển hướng giảm dòng chảy tự nhiên, làm ảnh hưởng đến quần thể động vật người sinh sống quanh dịng sơng Các nhà máy thủy điện nhỏ (công suất lắp đặt 40 MW) quản lý cẩn thận khơng có xu hướng tác động đến mơi trường chúng chuyển hướng phần dòng nước chảy * Năng lượng sinh khối Sinh khối vật liệu hữu có nguồn gốc từ động thực vật bao gồm trồng, gỗ thải cối Khi sinh khối bị đốt cháy, lượng giải phóng dạng nhiệt tạo điện tuabin nước Sinh khối thường bị nhầm lẫn nhiên liệu sạch, tái tạo nguồn thay xanh cho nhiên liệu hóa thạch khác việc sản xuất điện Tuy nhiên, khoa học gần cho thấy nhiều dạng sinh khối – đặc biệt từ rừng lại tạo lượng khí thải CO2 cao nhiêu liệu hóa thạch Cũng có hậu tiêu cực đa dạng sinh học Tuy nhiên, số dạng lượng sinh khối có lượng thải CO2 thấp lựa chọn số trường hợp Ví dụ, mùn cưa phoi từ xưởng cưa nhanh chóng phân hủy giải phóng carbon với lượng thấp  Nhiên liệu hydrogen pin nhiên liệu hydro Đây cũng khơng phải nguồn lượng tái tạo hồn tồn dồi nhiễm mơi trường sử dụng Hydrogen đốt làm nhiên liệu, điển hình xe chạy nước Ứng dụng nhiên liệu đốt (sạch) giảm đáng kể ô nhiễm thành phố Hydrogen cịn sử dụng pin nhiên liệu hyrdo, tương tự pin lưu trữ để cung cấp lượng cho động điện Trong hai trường hợp sản xuất quan trọng hydrogen đòi hỏi động nhiệt có sức mạnh lớn, nên “được này, 88 khác” nhà máy sản xuất động chạy nước xả khí thải nhiều Ngày nay, có số phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất khí hydro chẳng hạn lượng mặt trời, hy vọng vào tranh tích cực tương lai gần  Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt lượng tách từ nhiệt tâm Trái Đất Nguồn lượng xuất phát từ hình thành ban đầu hành tinh, từ q trình phân rã phóng xạ khống vật, từ lượng mặt trời hấp thụ bề mặt Trái Đất Ở số khu vực định, độ dốc địa nhiệt (tăng dần nhiệt độ theo độ sâu) đủ cao để khai thác tạo điện Công nghệ để khai thác lượng bị giới hạn mộ vài địa điểm Trái đất tồn nhiều vấn đề kỹ thuật làm hạn chế tiện ích Một dạng lượng địa nhiệt khác lượng Trái đất, kết qủa việc lưu trữ nhiệt bề mặt Trái đất Dạng lượng dùng để trì nhiệt độ thoải mái tịa nhà, khơng thể sử dụng để sản xuất điện  Các dạng lượng tái tạo khác Năng lượng từ thủy triều, đại dương phản ứng tổng hợp hydro nóng dạng khác sử dụng để tạo điện Những dạng lượng tái sinh có nhược điểm đáng kể nhà khoa học thảo luận để giải khủng hoảng lượng tới 6.1.2 Vai trò lượng tái tạo 89  Các mơ hình tính tốn lý thuyết Năng lượng tái tạo có tiềm thay nguồn lượng hóa thạch lượng nguyên tử Trên lý thuyết, với hiệu suất chuyển đổi 10% diện tích 700 x 700 km sa mạc Sahara đáp ứng nhu cầu lượng toàn giới cách sử dụng lượng mặt trời Trong mơ hình tính tốn lý thuyết người ta cố gắng chứng minh với trình độ cơng nghệ ngày nay, bị thất công suất nhu cầu lượng ngày tăng, đáp ứng tồn nhu cầu lượng điện châu Âu tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi tuốc bin gió lắp đặt biển (off-shore) Sử dụng cách triệt để thiết bị cung cấp nhiệt từ lượng mặt trời đáp ứng nhu cầu nước nóng  Năng lượng tái tạo hệ sinh thái Người ta hy vọng việc sử dụng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi ích sinh thái lợi ích gián tiếp cho kinh tế So sánh với nguồn lượng khác, lượng tái tạo có nhiều ưu điểm tránh hậu có hại đến mơi trường Nhưng ưu sinh thái có thực tế hay khơng cần phải xem xét cân đối sinh thái trường hợp Thí dụ sử dụng sinh khối phải đối chiếu việc sử dụng đất, sử dụng chất hóa học bảo vệ làm giảm đa dạng loài sinh vật với mong muốn giảm thiểu lượng CO2 Việc đánh giá hiệu ứng kinh tế phụ nhiều điều không chắn Sử dụng lượng tái tạo rộng rãi liên tục tác động đến việc phát triển khí hậu Trái Đất lâu dài Có thể hình dung đơn giản: dịng chuyển động gió yếu qua cánh đồng cánh quạt gió, nhiệt độ khơng khí giảm xuống nhà máy điện mặt trời (do lượng xạ phản xạ trở lại khơng khí bị suy giảm)  Mâu thuẫn lợi ích cơng nghiệp lượng Khác với nước phát triển, nơi mà sở hạ tầng chậm phát triển, việc mở rộng xây dựng nguồn lượng tái tạo nước cơng nghiệp gặp nhiều khó khăn phải cạnh tranh với công nghệ lượng thông thường Về phía tập đồn lượng mà vận hành nhà máy điện dựa lượng hóa thạch, tồn phần câu hỏi Nhưng mối quan hệ câu hỏi việc tạo việc làm lãnh vực sinh thái lãnh vực công nghệ Hệ thống cung cấp điện ổn định nước công nghiệp Đức dựa hạ tầng sở tập trung với nhà máy phát điện lớn mạng lưới dẫn điện đường dài Việc cung cấp điện phi tập trung ngày tăng thơng qua thiết bị dùng lượng gió hay quang điện thay đổi hạ tầng sở thời gian tới 90  Mâu thuẫn lợi ích xã hội Việc sử dụng lượng tái tạo làm cho việc can thiệp vào môi trường trở nên cần thiết, việc trở thành bất lợi cho người sống Một thí dụ cụ thể việc xây đập thủy điện, trường hợp đập Tam Hiệp Trung Quốc khoảng triệu người phải dời chỗ 6.2 Năng lượng mặt trời 6.2.1 Khái niệm phân loại lượng mặt trời a) Khái niệm Năng lượng mặt trời xạ ánh sáng nhiệt từ mặt trời người khai thác lưu trữ chuyển đổi thành điện thông qua Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời Đây nguồn lượng gần vô tận b) Phân loại lượng mặt trời  Hệ thống lượng mặt trời độc lập (off grid solar system) - Ưu điểm: Rất phù hợp cho khu vực khó khăn lưới điện, chưa có điện lưới quốc gia EVN - Nhược điểm: + Chi phí đầu tư ban đầu cao (chủ yếu ắc quy) + Chi phí bảo dưỡng (bảo dưỡng ắc quy) lớn, tuổi thọ hệ thống ắc qui không cao, khoảng 2-5 năm tùy loại ắc quy + Hiệu suất chuyển đổi điện thấp (chủ yếu hệ thống ắc qui, chu trình phóng chu trình nạp bị tiêu hao lớn) 91  Hệ thống điện mặt trời nối lưới (on grid solar system) - Ưu điểm + Chi phí đầu tư ban đầu thấp, khơng phải bỏ chi phí cho hệ thống ắc quy + Phi phí bảo dưỡng thấp + Hiệu chuyển đổi lượng cao - Nhược điểm +Về mặt sách, chưa cho phép triển khai Việt Nam Do hệ thống phát điện trực tiếp vào lưới, khiến quay ngược đồng hồ tải hộ gia đình thấp Ở nước khác, ví dụ Thái Lan, hộ gia đình khuyến khích triển khai hệ thống này, tiền điện cuối tháng khấu trừ, nhà nước phải trả ngược tiền phát điện cho hộ gia đình Hi vọng tương lai gần, Việt Nam cho phép triển khai thực sách +Hệ thống hoạt động có điện lưới, điện lưới hệ thống ngừng hoạt động  Hệ thống lượng mặt trời nối lưới có dự trữ Hệ thống kết hợp hai hệ thống trên, khắc phục nhược điểm điện điện lưới lại bao gồm thêm chi phí bảo dưỡng thay ắc qui 6.2.2 Vai trò lượng mặt trời Tạo máy nước nóng sử dụng nguồn nhiệt từ mặt trời để sử dụng sinh hoạt, bể bơi,… 92 Các máy nước nóng lượng mặt trời Hệ thống sưởi ấm từ lượng mặt trời áp dụng xây dựng, sử dụng vật liệu nhiệt khối đá, xi màng, nước, Hệ thống xử lý nước sử dụng nhiệt mặt trời điện lượng mặt trời để khử mặn khử khuẩn Bếp lượng mặt trời, người ta sử dụng kỹ thuật hội tụ ánh sáng mặt trời để tạo nhiệt phục vụ nấu ăn, điển hình bếp công nghiệp Ấn Độ phục vụ tới 35.000 suất ăn ngày Lợi ích to lớn từ điện lượng mặt trời Điện lượng mặt trời nguồn điện chuyển đổi từ lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng, nên có nguồn tài nguyên xem vô tận để khai thác Ý nghĩa kinh tế điện lượng mặt trời Nguồn cung cấp vô tận, chi phí sản xuất pin lượng mặt trời ngày giảm, sản lượng điện cung cấp tăng dần theo thời gian góp phần giảm giá thành tiêu thụ điện An ninh lượng Điện lượng mặt trời tương lai thay hình thức sản xuất điện khác từ việc đốt nguyên liệu hóa thạch hạn chế thủy điện làm thay đổi hệ sinh thái Lợi ích mơi trường điện lượng mặt trời Điện lượng mặt trời công nhận nguồn lượng xanh, thân thiện với môi trường, công nghệ tái chế pin lượng mặt trời dần hoàn thiện, theo thống kê năm 2014, lượng phát thải khí CO2 trung bình điện lượng mặt trời 41g/kWh so với điện than 820g/kWh dầu khí 490g/kWh 93 Ngoài ra, điện lượng mặt trời ứng dụng sâu rộng đời sống người từ sinh hoạt đến sản xuất, có khả triển khai với quy mô đa dạng phù hợp với đối tượng 6.3 Năng lượng gió 6.3.1 Khái niệm Điện gió - lĩnh vực ngành lượng, chun chuyển đổi động khơng khí khí thành điện năng, năng, nhiệt năng, hay dạng lượng khác để phục vụ cho kinh tế Việc chuyển đổi thực tổ hợp thiết bị, máy phát điện tua bin gió (để thu điện năng), cối xay gió (để thu năng), cánh buồm (trong vận tải), v.v 6.3.2 Các đại lượng liên quan đến lượng gió Năng lượng gió có nhờ hoạt động mặt trời, thuộc dạng tự tái tạo, dễ tiệm cận, sinh thái có chi phí vận hành thấp Các trạm điện tua bin gió lớn thường nối với hệ thống điện, trạm nhỏ thường xây dựng vận hành để cung cấp điện cho vùng xa lưới điện Việc phát triển điện gió thường gặp số khó khăn mang tính kỹ thuật kinh tế Khi tỷ trọng điện gió lưới điện tăng lên, khơng ổn định gió làm gia tăng khơng ổn định cung cấp điện, địi hỏi phải áp dụng công nghệ thông minh vận hành quản lý hệ thống phân phối điện 6.3.3 Khảo sát thực hành tua bin gió pha 400W Các thành phần tuabin gió thơng tin kỹ thuật Bắt đầu tốc độ gió 1,5m / s Tốc độ gió đánh giá 12m / s Cắt-tốc độ gió 2m / s Điện áp định mức 12V / 24V Công suất định mức 400W/430W Năng lượng tối đa 400W/430W Chất liệu cánh Sợi thủy tinh Số cánh quạt Đường kính quạt 0.6m Tốc độ gió an tồn 40m / s Tổng trọng lượng Điều kiện môi trường khơng giới hạn 94 Nhiệt độ Tua bin gió -20 ~ + 85 ฀ Độ ẩm Tua bin gió ≤90% Độ cao ≤4500m ( điều kiện độ cao đánh giá 1000m ) Tốc độ gió tối đa ≤35m / s , tốc độ gió tối đa tức thời ≤50m / s Gió chiều cao lắp đặt tuabin 3.5m ~ 13m (phụ thuộc) Công suất Tốc độ gió Cơng suất 2m / s 1.5W 4m / s 10W 7m / s 80W 8m / s 100W 9m / s 250W 10m / s 350W 12m / s 450W Trên 15m / s 650W 6.3.4 Vận hành thực hành tích hợp lượng mặt trời lượng gió giám sát máy tính Xây dựng vận hành mơ hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió mặt trời phần mềm Matlab/Simulink 6.4 Lắp đặt hệ thống lượng mặt trời 6.4.1 Khảo sát phần tử hệ thống điện lượng mặt trời Sơ cấu trúc điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 95 - Khối Modul quang điện (PV) - Khối dị điểm cơng suất tối đa - Khối biến đổi chiều - chiều (DC/DC) - Khối biến đổi Một chiều - Xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp chiều DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin pha pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia vi lưới ốc đảo (Island Microgrid) - Khối lọc có nhiệm vụ lọc sóng hài điện áp dòng điện biến đổi gây - Khối đồng hóa lưới - Khối điều khiển 6.4.2 Lắp đặt hệ thống điện lượng mặt trời Quy trình lắp đặt hệ thống điện mặt trời - Khảo sát hệ thống phù hợp với nhu cầu sử dụng Hệ thống điện mặt trời chia làm loại: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới: Đây hệ thống sử dụng phổ biến nhất, sử dụng cho hộ gia đình, sản xuất, kinh doanh Lượng điện tạo từ hệ thống cung cấp cho nhu cầu sử dụng gia đình vào ban ngày Lượng điện dư thừa khơng sử dụng đến hòa vào lưới điện quốc gia Hệ thống điện mặt trời độc lập: Điện sản xuất tích trữ ắc quy Hệ thống phù hợp cho nơi điện lưới không ổn định, muốn sử dụng phịng trường hợp cúp điện, có điện sử dụng vào ban đêm Hệ thống điện mặt trời hịa lưới có lưu trữ (Hybrid): Đây hệ thống thông minh, kết hợp hệ thống điện mặt trời trên, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ban ngày ban đêm Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng gia đình, đội ngũ lắp đặt tư vấn hệ thống phù hợp với thông số cụ thể 96 Hệ thống điện lượng mặt trời áp mái - Lựa chọn hướng góc phù hợp để lắp đặt hệ thống NLMT Sau xác định hệ thống lắp đặt trình khảo sát địa điểm lắp đặt Việc khảo sát làm sở để lên thiết kế khung giàn, hướng lắp đặt…giúp hệ thống phát huy hiệu cao Bằng việc tạo góc nghiêng 10-15 độ hướng nam, giàn pin đón ánh nắng mặt trời nhiều từ sản lượng điện sản xuất mức cực đại Tại không bỏ qua trình khảo sát thực tế trước lắp đặt hệ thống điện lượng mặt trời? - Đảm bảo cho việc lắp đặt pin lắp mái nhà tạo độ mát mẻ, tạo thẩm mỹ cho ngồi nhà bạn - Đảm bảo hệ thống đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật điện điện lực Việt Nam (EVN) - Dễ dàng việc thi công, lắp đặt hệ thống - Thiết kế hệ thống đủ – phù hợp với điều kiện lắp đặt thực tế 97 Lắp đặt hướng với độ nghiêng thích hợp giúp hệ thống phát huy hiệu tối đa Một số lưu ý lắp đặt hệ thống pin mặt trời mái nhà: - Hệ thống pin nên thiết kế có khoảng cách pin mặt trời mái/sàn để đảm bảo thông gió tản nhiệt - Nguồn điện mà pin mặt trời phát dòng điện chiều DC mức gây nguy hiểm q trình lắp đặt cần có trang bị bảo hộ lao động phù hợp, sử dụng găng tay giày bảo hộ lắp đặt - Không đứng lên pin gây vỡ xước bề mặt kính - Không lắp đặt pin bị ướt lắp đặt điều kiện mưa gió - Pin phát điện chiều nên cần ý đấu cực trình lắp đặt - Đảm bảo mối nối phải cách điện kỹ thuật - Hệ thống giá đỡ phải đảm báo chắn điều kiện gió bão Ngồi ra, nên lựa chọn giá đỡ cho hệ thống lượng mặt trời, dụng loại làm từ chất liệu inox nhơm Vì chúng bền sử dụng lâu dài tạo chắn cho khung Để đảm bảo chịu gió bão tác động khắc nghiệt thời tiết 98 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “………………………………… ” bám sát nội dung chương trình mơn học, mơ đun Đáp ứng đầy đủ nội dung kiến thức, kỹ năng, lực tự chủ chương trình mơn học, mơ đun Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun thay cho giáo trình Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) ... THIỆU Giáo trình Điều khiển kỹ thuật cảm biến điều khiển điện thông minh biên soạn theo Mô đun 23 nghề Điện dân dụng thuộc khung chương trình nội ban hành năm 2019 Nhằm phục vụ cho giảng dạy giáo. .. dụng cảm biến tiệm cận điện cảm 3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung a Giới thiệu chung Cảm biến tiệm cận điện dung giống kích thước, hình dáng, sở hoạt động so với cảm biến tiệm cận điện cảm Điểm... tính kỹ thuật cảm biến Tần số đáp ứng: Số lần tác động lặp lại vật cảm biến vào vùng hoạt động cảm biến Khoảng cách phát hiện: Khoảng cách xa từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến