Hình 2.2: Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời bao gồm nguồn dòng mắc song song và một diode lý tưởng.
Hình 2.3: Pin mặt trời khi ngắn mạch.
Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0
Hình2.4: Pin mặt trời khi hở mạch.
www.7gio.com
GVHD: ? 27
Áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R=∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0
Ta xét một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn.
Trong trường hợp hở mạch, áp ra của pin mặt trời là áp hở mạch VOC, nhưng dòng I=0 nên công suất của pin P = 0.
Trong trường hợp ngắn mạch, V = 0, I = ISC nên công suất của pin P = 0.
Khi mắc tải vào pin thì giá trị dòng, áp khác 0 hay pin cấp nguồn cho tải với công suất là P.
Hình 2.5: Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và khi mắc với tải. 2.5 Tính toán giá đỡ khung Pin, chân đế:
Để nâng cao hiệu suất cũng như đảm bảo an toàn khi lắp đặt Pin, nhóm đã thiết kế giàn khung cơ khí đỡ Pin, đồng thời giàn khung có thể xoay theo một hướng với góc xoay 00
Thông số thiết kế giàn khung bao gồm: Pin : 1x8kg
Xoay: 900
Núm xoay cố định khung Pin
Từ các thông số trên, nhóm tính toán ứng lực cho sàn khung và đế có thể chịu được khối lượng tấm pin, và khi xoay hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Các thông số mà nhóm đã thiết kế và thi công giàn khung được cho trong bảng 2.2 và bảng 2.3.
www.7gio.com
GVHD: ? 28
Bảng 2.2: Bảng tra thông số thép (Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1656- 1993)
Bảng 2.3 Thông số thiết kế giàn khung. 2.6 Tính chọn hướng đặt pin:
Trái đất quay xung quang mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng tương ứng 365,25 ngày. Độ nghiêng và hướng đi là nguyên nhân gây ra các mùa trong năm, mặt trời mọc ở hướng Đông và lặn ở hướng Tây, vị trí cao nhất của mặt trời so với trái đất
là giữa ngày. Điều này có lợi để dự đoán chính xác vị trí mặt trời vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày của năm. Khi đó, chúng ta có thể sử dụng kiến thức này chọn vị trí lắp đặt và góc nghiêng tốt nhất cho các pin Mặt trời tận dụng tối đa công suất.
Góc hình thành giữa mặt xích đạo và đường thẳng vẽ từ trung tâm Mặt trời tới trung tâm Trái đất gọi là độ lệch năng lượng δ và được thể hiện qua biểu thức:
81 365 360 sin 45 , 23 n (2.8)
Trong đó, n là số thứ tự của ngày đầu tiên trong tháng trong một năm được cho trong bảng 2.4.
Chi tiết Vật liệu Kích thước
Đế khung Thép hộp 40 x 40mm
Tay đỡ xoay Pin Thép hộp 40 x 40mm
Giá đỡ Pin Thép V 35 x 35mm Chủng loại Khối lượng tiêu chuẩn (kg/m) Tiết diện (cm2) Kích thước Khoảng cách từ trọng tâm A (mm) t (mm) R (mm) Cx=Cy (cm) Cu (cm) Cv (cm) 40x40x3 1,84 2,35 40 3 6 1,07 2,83 1,52 www.7gio.com
GVHD: ? 29
Bảng 2.4: Số thứ tự ngày đầu tiên trong tháng
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
n 1 32 60 91 121 152 182 213 244 274 305 335 δ -23 17.5 8.3 4 14.9 22 23.1 17.9 7.7 -4.2 15.4 -22
Từ việc xác định được góc lệch năng lượng giữa trái đất và mặt trời, chúng ta sẽ xác định được góc nghiêng giữa pin quang điện và mặt trời chiếu tới:
Hình 2.6: Góc lệch năng lượng và góc tối ưu của Mặt trời và Trái đất
N 900L (2.9) Trong đó: L : Vĩ độ
δ : Góc lệch năng lượng
Như vậy, chúng ta xác định được góc lệch năng lượng và góc lệch pin so với Mặt trời, chúng ta áp dụng công thức tối ưu cho độ nghiêng của Pin khi lắp đặt tại mặt đất để ánh sáng vuông góc và nhận hiệu suất năng lượng cao nhất là:
0
90
NTilt (2.10)
Hình 2.7: Góc lệch năng lượng và góc tối ưu của Mặt trời và Trái đất vào buổi trưa.
www.7gio.com
GVHD: ? 30
Do đó, nhóm nghiên cứu đã tính toán góc đặt của pin vào các tháng như bảng 2.5.
Bảng 2.5: Góc đặt pin vào các tháng trong năm.
Trong bảng trên xác định những góc βNtilt để đặt pin vào từng tháng trong năm ứng với vị trí tại trường Cao Thắng, vào các tháng 1, 2, 3, 10, 11, 12 góc đặt pin tối ưu là 300, vào các tháng còn lại ta sẽ xoay pin với góc = góc lắp đặt - βNTilt
Sau khi xác định góc nghiêng lắp đặt pin so với mặt đất, ta cần xoay góc pin trong quá trình khảo nghiệm
Vì vậy, ta xác định góc xoay Pin theo thời gian trong ngày (φS) theo các công thức sau: t h H 150 (2.11)
cos cos cos sin sin
sin L H L (2.12) cos sin cos sin S H (2.13) 1 sin S S (2.14)
Với : φS : góc xoay pin theo giờ β : góc theo độ cao lắp đặt δ : góc lệch năng lượng t : thời gian khảo sát (h)
h : khoảng thời gian khảo sát (h)
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 n 1 32 60 91 121 152 182 213 244 274 305 335 L 10,46 10,46 10,46 10,4 6 10,4 6 10,46 10,46 10,4 6 10,4 6 10,4 6 10,4 6 10,4 6 δ -23 -17,5 -8,3 4 14,9 22 23,1 17,9 7,7 -4,2 -15,4 -22 βN 56,54 62,04 71,24 83,5 4 94,4 4 101,5 4 102,6 4 97,4 4 87,2 4 75,3 4 64,1 4 57,5 4 βNTilt 33,46 27.96 18.76 6.46 -4,44 -11.54 -12,64 -7,44 2,76 14,6 6 25,8 6 32,4 6 www.7gio.com
GVHD: ? 31
Hình 2.8: Biểu đồ tra góc lắp đặt và góc xoay của pin theo giờ và theo ngày trong năm
2.7 Tính toán và lựa chọn đèn cao áp thay thế năng lượng mặt trời:
nmt = = =
nđèn = = = Trong đó:
nmt: Số photon phát ra từ Mặt trời nđèn: Số photon phát ra từ đèn
W, P: Lần lượt là năng lượng và công suất.
ε: năng lượng photon
h = 6,625.10−34J.s là hằng số Plăng c = 3.108m/s: tốc độ bay của photon
Bước sóng ( λ ) ánh sáng của mặt trời xấp xỉ gần bằng bước sóng của đèn.
Muốn thay thế ánh sáng mặt trời thì lượng photon của ánh sáng mặt trời phải bằng của đèn.
nmt nđèn
www.7gio.com
GVHD: ? 32
Pmt Pđèn
Công suất bức xạ Mặt trời ở Nam Bộ trong khoảng 4,3 – 4,9Kwh/m2 Pđèn 4,3 4,9 Kwh/m2
Chọn 4 đèn halogen công suất mỗi đèn là 1000W.
Bảng 5: Số liệu về bức xạ Mặt trời ở Việt Nam
Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT
(kWh/m2, ngày) Ứng dụng Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt Tây Nguyên và Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt
2.8 Chế tạo khung pin:
Chế tạo bộ phận nguồn điện. Chế tạo giá đỡ pin, chân đế.
Hệ thống Pin mặt trời được lắp đặt trên khung giá đỡ kim loại vững chắc, có thể thay đổi hướng đón nắng.
www.7gio.com
GVHD: ? 33
Hình 2.9: Giá đỡ khung Pin.
www.7gio.com
GVHD: ? 34
Hình 2.10: Góc xoay và tay đỡ Pin.
Hình 2.11: Giá đỡ khung modul.
www.7gio.com
GVHD: ? 35
Hình 2.12: Giá đỡ bộ đèn.
www.7gio.com
GVHD: ? 36
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN:
3.1 Mục đích:
Đo nhiệt độ và độ rọi của ánh sáng ( đèn cao áp ) tác dụng vào tấm pin để đo được các thông số hiện thị trên LCD để ta tính công suất,…
3.2 Khái quát chung về các linh kiện trong bộ cảm biến:
3.2.1IC555: IC thời gian 555 được du nhập vào những năm 1971 bằng công ty Signetics Corporation bằng 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là máy thời gian và cũng là loại có đầu tiên. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn ổn và không ổn định.
Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại hóa. 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sự cạnh tranh và những lý do khác. Tuy thế những công ty khác lại sản suất ra những dòng này. IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác.
Thông số:
Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555..). Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA.
Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V. Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V. Công suất tiêu thụ (max) 600mW. Chức năng của 555:
Tạo xung.
Điều chế được độ rộng xung (PWM).
Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại).
www.7gio.com
GVHD: ? 37
Hình dạng của 555 ở trong hình 3.1 và hình 3.2. Loại 8 chân hình tròn và loại 8 chân hình vuông. Nhưng ở thị trường Việt Nam chủ yếu là loại chân vuông.
Chức năng từng chân:
IC NE555 N gồm có 8 chân.
+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V) .
Hình 3.1 Hình 3.2
www.7gio.com
GVHD: ? 38
+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC.
+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động .
+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE755
3.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35:
LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog.
Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35. Đơn vị nhiệt độ: °C.
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C.
www.7gio.com
GVHD: ? 39
Hình 3.3 Sơ đồ chân của LM35.
LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử dụng.
Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C
LM35 có hiệu năng cao, công suất tiêu thụ là 60uA
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại chân Vout (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ.
Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 hiệu điện thế 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa bằng các pin A0 trên arduino, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) bằng công thức:
float temperature = (5.0*analogRead(A0)*100.0/1024.0) (3.1)
Với LM35, bạn có thể tự tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 và tự động ngắt điện khi nhiệt độ vượt ngưỡng tối đa, đóng điện khi nhiệt độ thấp hơn ngưỡng tối thiểu thông qua module rơ le...
LM35 thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác.
3.2.2 Quang trở:
Thông thường, điện trở của quang trở khoảng 1000 000 ohms. Khi chiếu ánh sáng vào, điện trở này giảm xuống rất thấp. Người ta ứng dụng đặc tính này của quang trở để làm ra các mạch phát hiện sáng/tối.
www.7gio.com
GVHD: ? 40
…
Flash bên dưới mô phỏng quá trình cho dòng điện đi qua của quang trở.
Mạch phát hiện sáng tối dùng quang trở.
Khi ánh sáng yếu, trở kháng của quang trở cao. Dòng ở cực B của transistor bé, đèn tắt. Tuy nhiên, khi ánh sáng mạnh, dòng chạy qua quang trở đến cực B của transistor thứ nhất cũng như transistor thứ 2 làm đèn sáng. Biến trở bên dưới tạo thành cầu chia áp để chỉnh độ nhạy của quang trở.
Ngoài ra còn có các thiết bị khác như tụ, điện trở,…
Hình 3.4 Quang trở.
www.7gio.com
GVHD: ? 41
Ứng dụng của mạch phát hiện sáng tối Mở/tắt đèn đường tự động
Hình 3.5 Mạch dùng quang trở đóng ngắt đèn buổi tối.
3.3 Sơ đồ mô hình, bản vẽ mạch điện, sơ đồ nối dây:
3.3.1 Mạch cảm biến:
www.7gio.com
GVHD: ? 42
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý.
www.7gio.com
GVHD: ? 43
3.3.2 Mạch hiển thị LCD:
3.4 Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến:
Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra chân số 2 của LM35. Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C.
LM35 - > ADC - > Vi điều khiển Như vậy ta có: