L ỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆ P
3.1 Yêu cầu của hệ thống:
Hệ thống đèn đường thông minh có chức năng như sau:
Điều khiển tấm pin mặt trời theo hướng có ánh sáng lớn nhất.
Sạc bình với công suất lớn nhất mà tấm pin mặt trời có thểđáp ứng được. Điều khiển tải thông qua mạng Webserver.
Có hai chế độ hoạt động là Auto và Manual, chế độ Auto là hẹn giờ tự động bật hoặc tắt tải, chếđộManual là điều khiển trực tiếp tải bằng tay.
Hiển thị các thông số của hệ thống lên LCD và Webserver để theo dõi.
Tự cắt nguồn cung cấp khối tìm cường độ sáng lớn nhất khi không sử dụng đến.
Hệ thống bao gồm các khối chính như sau:
Khối 1: Khối Pin mặt trời.
Khối 2: Khối tìm hướng có cường độ sáng lớn nhất. Khối 3: Khối giám sát và điều khiển hệ thống. Khối 4: Khối bình ắc quy.
Khối 5: Khối điều khiển hệ thống qua Internet.
Chức năng của các khối:
Khối 1:
Khối này có chức năng cung cấp điện áp cho toàn hệ thống. Khối 2:
Khối này có chức năng là luôn hướng tấm pin mặt trời vào nơi có cường độ sáng lớn nhất. Có thể quay tấm pin theo nhiều hướng. Khi đã chọn đến được hướng cần thiết thì tựđộng hướng mặt phẳng của tấm pin vuông góc với hướng mặt trời.
Khối 3:
Khối có chức năng đo và tính toán các thông số dòng điện và điện áp, hiển thị lên
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 57 công suất lớn nhất và nhận tín hiệu từ webserver để điều khiển tải hoạt động. Gửi dữ
liêu lên webserver cho khối 5 điều khiển. Khối 4:
Có chức năng tích trữ năng lượng và cung cấp điện áp cho tải và các khối khác khi cần thiết.
Khối 5:
Sẽđiều khiển tải qua hai chếđộ hoạt động là Auto và Manual. Hiển thị các thông số
của hệ thống lên Websever để giám sát.
3.2 Sơ đồ khối của hệ thống:
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 58
3.3 Hoạt động chung của hệ thống.
Khối Pin mặt trời sẽ biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng và được nạp cho bình ắc quy thông qua khối điều khiển và giám sát hệ thống. Khối bình ắc quy sẽ nhận
điện áp từ khối pin mặt trời và cung cấp điện áp cho hai khối là khôi tìm hướng có cường
độ sáng nhất và khối giám sát để hoạt động. Khối tìm hướng có cường độ lớn nhất sẽđiều khiển tấm pin sao cho luôn hướng tới nơi có cường độ sáng lớn nhất. Khối giám sát và
điều khiển sẽ luôn điều khiển quá trình sạc cho bình ắc quy, truyền các thông số của hệ
thống lên webserver đồng thời xử lý các yêu cầu từ sever tác động xuống. Khối điều khiển qua Internet sẽ hiển thị các thông số của hệ thống và điều khiển hoạt động của hệ
thống.
3.4 Thiết kế từng khối của hệ thống:
3.4.1 Khối pin mặt trời: 3.4.1.1 Lựa chọn.
Trên thị trường hiện náy có rất loại pin năng lượng mặt trời như pin mặt trời tinh thể
Silic, pin mặt trời nhạy cảm chất màu, pin mặt trời dạng keo nước. Trong đó pin mặt trời tinh thể Silic phổ biến nhất, trong loại pin mặt trời này lại chia làm nhiều loại nhỏ hơn như: Đơn tinh thể, đa tinh thể và dải silic.
Nhóm đã chọn tấm pin mặt trời dạng dải silic mỏng, đây là loại có hiệu suất thấp tuy nhiên nó vẫn đáp ứng được yêu cầu đề tài của nhóm và giá cả hợp lý với khảnăng của nhóm.
3.4.1.2 Các thông sốcơ bản.
Tấm pin năng lượng mặt trời có tác dụng biến đổi năng lượng mặt trời thành điện
năng. Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và giá thành mà tấm pin mặt trời có các thông số kỹ
thuật khác nhau. Vì vậy chúng em xin trình bày các thông số kỹ thuật của tấm pin được sử
dụng trong đồán, nó được chia làm hai phần chính: Phần điện:
Công suất định mức: 15W. Loại Pin: silic đa tinh thể. Điện áp định mức: 18.1V.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 59 Dòng điện định mức: 0.87 A.
Phần cơ khí:
Kích thước: 33x28x2.5 cm. Trọng lượng: 0.5 Kg.
Bề mặt pin được phủ một lớp kính chuyên dụng, kết hợp với keo để chống thấm
nước.
Được bao bọc bằng một khung hình chữ nhật làm bằng hợp kim nhôm.
3.4.2 Khối bình ắc quy tích trữnăng lượng: 3.4.2.1 Lựa chọn.
Trên thịtrường hiện nay có rất nhiều loại ắc quy về cảkích thước, mẫu mã và dung
lượng. Yêu cầu của đề tài là chọn bình ắc quy có điện áp hoạt động là 12V, dung lượng khoảng 5Ah. Qua quá trình tìm hiểu nhóm đã chọn ra ắc quy phù hợp cho đề tài là ắc quy axít loại kín khí Globe 12V-7.5Ah.
3.4.2.2 Đặc điểm.
- Không có nút ở các ngăn bình, thường ghi rõ ắc quy không cần bảo dưỡng ở vỏ
bình hoặc tài liệu kèm theo.
- Khi phát dòng điện lớn thì ắc quy kín khí thường phục hồi điện áp nhanh hơn ắc
quy nước, tuy nhiên điều này không ảnh hưởng đến hoạt động của kích điện.
- Khi nạp ắc quy không phát sinh khí ra môi trường bên ngoài nên không có mùi. - Dòng điện nạp có thể lên tới 0,25 lần trị số dung lượng ắc quy (ví dụ loại 100 Ah có thể nạp với dòng lớn nhất là 25A).
- Không phải bổsung điện dịch trong quá trình sử dụng.
- Phải nạp điện định kỳ trong thời gian không sử dụng, nhưng chu kỳ nạp định kỳ dài hơn so với loại ắc quy axít thông thường.
- Thường có tuổi thọcao hơn so với ắc quy loại hởthông thường.
3.4.3 Khối giám sát và điều khiển hệ thống :
Bao gồm các khối sau:
Khối 1: Cảm biến dòng.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 60 Khối 3: Mạch biến đổi giảm áp.
Khối 4: Đo điện áp bình ắc quy. Khối 5: Khối hiển thị(LCD 20x4). Khối 6: Khối tải và điều khiển tải. Khối 7: Xử lý trung tâm 1.
3.4.3.1 Chức năng các khối. Khối 1: Khối 1:
Đo dòng điện của pin mặt trời rồi gửi về vi xử lý trung tâm.
Khối 2:
Đo điện áp pin gửi về xử lý trung tâm 1.
Khối 3:
Nó là mạch biến đổi điện áp DC-DC với điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn hoặc bằng
điện áp ngõ vào. Mục đích là đểđiều chỉnh điện áp đầu vào sạc cho bình ổn định. Giữ cho điện áp nạp vào bình ắc quy luôn ở mức cho phép khi mà nguốn ngõ vào quá lớn, mạch này được điều khiển qua xung PWM nhận từ xử lý trung tâm 1.
Khối 4:
Đo điện áp bình ắc quy gửi về xử lý trung tâm 1.
Khối 5:
Có chức năng hiện thị các thông số lên màn hình LCD cho để theo dõi.
Khối 6:
Có chức năng như một cái công tắc điện tử có thể mở hoặc tắt tải ngõ ra. Khối này sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ xủa lý trung tâm 1.
Khối 7:
Có chức năng đọc giá trị analog từ cảm biến, từđó tính toán xửlý để đưa ra xung
PWM thích hợp điều khiển mạch giảm áp(Buck). Nhằm mục đích cho ra công suất ngõ ra luôn tối đa. Đồng thời vi xử lý trung tâm sẽ xuất các thông số cần thiết ra mà hình LCD để hiển thị, thuận tiên cho người dùng theo dõi.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 61
3.4.3.2 Sơ đồ khối.
Hình 3.2: Sơ đồ khối giám sát và điều khiển hệ thống.
3.4.3.3 Thiết kế phần cứng cho khối giám sát và điều khiển hệ thống. 3.4.3.3.1 Khối 1. 3.4.3.3.1 Khối 1.
a. Phương án thiết kế.
Để đo được dòng điện của pin mặt trời nhóm đã chọn giải pháp mua module đo
dòng thay vì đi thi công mạch, vì lý do là ưu điểm của module so với mạch thi công là module nhỏ gọn, sai số thấp và cho điện áp ra ổn định. Hơn nữa do khối lượng công việc còn nhiều nên nhóm chọn giải pháp mua module. Yêu cầu của chọn module là có giới hạn dòng và áp phải lớn hơn hoặc bằng dòng và áp của pin mặt trời tạo ra (0.87A, 18V). Do
đó nhóm chọn module đo dòng ACS-712 5A.
Thông số của module:
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 62
Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.
Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp.
Nguồn: 5VDC.
Độ nhạyđầu ra từ 63-190mV/A.
Điện áp ra cực kỳổnđịnh.
Ip: 5A đến -5A.
Độ nhạy: 180 - 190 mV/A.
b. Kết nối phần cứng.
Module cảm biến dòng sẽđược lắp trực tiếp vào nguồn pin mặt trời như hình sau.
Hình 3.3: Mạch nguyên lý cảm biến dòng.
c. Nguyên lý hoạt động.
Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng điện đi từ Ip+ đến Ip-
để Vout ra mứcđiện thế 2.5 - 5V tươngứng dòng 0 - 5A, nếu mắcngược Vout sẽ ra điện
thế -2.5V đến 0V tươngứng với 0A đến -5A.
Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với
domino), thì Vout=2.5V. khi dòng Ip( dòng của tải) bằng 5A thì Vout=5V, Vout sẽ tuyến
tính với dòng Ip, trong khoảng 2.5V đến 5V tươngứng với dòng 0 đến 5A.
Để kiểm tra dùng đồng hồ VOM thang đo DC đo Vout.
3.4.3.3.2 Khối 2. a. Phương án thiết kế.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 63 phép của chân đọc tín hiệu điện áp trong xử lý trung tâm 1, vì vậy để có thểđo được điện áp pin mặt trời nhóm đã tiến hành chia áp ra. Điện áp đểđưa vào chân đọc tín hiêu analog phải nhỏhơn hoặc bằng 5V.
b. Tính toán, kết nối phần cứng.
Điện áp pin mặt trời U1=18V.
Điện áp đưa vào chân analog U2max=5V (U2≤5V).
Dòng điện tối đa đưa vào chân analog Imax=80mA.
Suy ra: Tổng điện trở nhỏ nhất của hai điện trở phân áp
Rmin= = ≈163Ω.
Mà R8+R11=163Ω,
Chọn R8=100Ω, suy ra R11=163-100=63Ω(chọn 68Ω).
Ta có thể chọn giá trị lớn hơn nhưng giá trị điện trở R nhỏ nhất cho phép là 163Ω,
trên thực tế vì mỗi chân I/O của xử lý trung tâm 1 đều có điện trở kéo lên bên trong(từ
5.6kΩ đến 10kΩ). Vì vậy ta cần phải chọn giá trị điện trở phù hợp cho kết quả chính xác
nhất. Qua những lần chọn và thử nhóm chọn R8=2.2KΩ, R11=560Ω. Điện áp được lấy
ra trên R11 đưa vào chân analog của xử lý trung tâm1.
Ngoài ra do biên độ dao động điện áp của mặt trời lớn sẽ làm cho kết quả đo kém
chính xác nên nhóm đã mắc thêm hai tụ song song với điện trở R11 ở trên, mục đích làm cho ngõ ra ổn định hơn. Qua nhũng lần thử thực tế nhóm chọn được giá trị tụ cho ra điện áp tương đồi ổn định là: 100µF và 0.1µF.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 64 Hình 3.4: Mạch đo điện áp pin mặt trời.
c. Nguyên lý hoạt động.
Điện áp pin mặt trời sẽ được chia ra lên hai điện trở là 100KΩ và 22KΩ. Điện áp
được lấy trên điện trở 22KΩ và nối vào chân A0 của xử lý trung tâm 1.
3.4.3.3.3 Khối 3. a. Phương án thiết kế.
Nhóm chọn phương án thiết kế mạch giảm áp dùng Mosfet, vì mạch dễ thi công, có nhiều tài liệu viết tương đồi dễ hiểu. Để điêu khiển được hoạt động đóng ngắt cho Mosfet
nhóm đã dùng thêm mạch thúc, nguyên nhân là vì: Dòng và áp từ chân ngõ ra PWM của xử ly trung tâm 1 quá nhỏ (5V, 25mA) không thểđiều khiển đóng và ngắt một cách tối ưu cho mosfet được. vì thế phải cho xung PWM từ xử lý trung tâm 1 qua mạch thúc để nâng áp ngõ ra rồi mới mang đi điều khiển mosfet.
b. Tính toán, kết nối phần cứng.
Mạch buck:
Nguyên lý hoạt động:
Mạch giảm áp là mạch chuyển đổi điện áp DC sang DC với điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn hoặc bằng điện áp ngõ vào. Sơ đồ nguyên lý của mạch giảm áp như hình sau:
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 65
Khi Mosfet ON
Khi Mosfet ON sẽ có dòng điện chạy qua cuộn dây L, chạy qua tải R và tụ điện ngõ ra C. Khi này thì Diode bị phân cực ngược nên sẽ không có dòng điện chạy qua nó vì vậy dòng điện sẽ chạy về cực âm của nguồn. Cũng trong lúc này năng lượng sẽ tích trữ cuộn dây L và tụđiện ngõ ra C. Như hình bên dưới.
Hình 3.6: Hình mô tả hoạt động của mạch khi Mosfet ON.
Khi Mosfet OFF
Khi Mosfet OFF, năng lượng trong cuộn dây sẽ được giải phóng ra và hình thành dòng điện chạy qua cuộn dây, tụđiện C, tải R và chạy qua Diode, vì khi này Diode được phân cực thuận. Năng lượng trong tụ sẽ cung cấp cho tải để duy trì dòng điện. Hoạt động của mạch như hình bên dưới.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 66 Hình 3.7: Hình mô tả hoạt động của mạch khi Mosfet OFF.
Tính toán lựa chọn cuộn dây: theo cơ sở lý thuyết chương 2 mục 2.8.
Đồ án này thiết kếcho năng lượng mặt trời 15W và ắc quy 12V. Chọn giá trị của L để khi:
Điện áp đầu vào (Vin) = 15V.
Điện áp đầu ra (Vout) = 12V. Dòng điện ra (Iout) ≈0.6A (xấp xỉ).
Chuyển đổi Tần số f= 31 KHz(bằng tần số xung cấp cho chân PWM D9). Duty Cycle (D) = = 0,8 hay 80%.
Tính toán:
L =(Vin−Vout). . .
∆ (theo công thức 2.13 chương 2)
Với ∆dI là dòng gợn sóng(là mức độ chênh lệch giữa hai đỉnh cao nhấp và thấp nhấp của dòng điện).
Chọn giá trị ∆dI nằm trong khoảng 2% đến 5% dòng ngõ ra Iout. Vì pin mặt trời có độ
biến thiên lớn, do nó phụ thuộc vào cường độ sáng mặt trời, tuy nhiên nếu chọn khoảng biến thiên này quá lớn sẽ làm cho hệ thống kém ổn định hơn.
Chọn dI = 5% Iout. Ta có:
L = (Vin−Vout). . .
∆ = (15,0-12,0) x0,8x x
. ≈26µH .
Giá trị dòng điện lớn nhất đi qua cuộn cảm = Iout + dI / 2 = 0.6+ 0.15 = 0.65A.
Trong thực tế giá trị cuộn cảm 26µH không có, vì thế chọn giá trị cuộn cảm có giá trị
33µH.
Vì vậy, chọn cuộn cảm có thông số 33µH và 0.65A.
Tính toán lựa chọn tụđiện: theo tài liệu số 1 trong phần phụ lục.
Điện dung của tụ điện là điều cần thiết để giảm thiểu việc quá áp và độ gợn sóng ở
ngõ ra của mạch giảm áp.
Giá trịđiện dung ngõ ra (Cout) = dI / (8 x Fsw x dV). Với dV là điện áp gợn sóng.
Chọn điện áp gợn (dV) = 25mV.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 67 Vậy chọn tụ 47µF.
Lựa chọn Mosfet:
Mosfet là thành phần quan trọng của bộ chuyển đổi Buck. Trong mạch Buck này Mosfet có vai trò như một công tắc với tần sốđóng cắt lớn.
Một vài thông sốcơ bản để lựa chọn MOSFET hợp lý:
Điện áp ngưỡng: Tìm hiểu giá trị điện áp ngưỡng Vth của Mosfet là bao nhiều để
cấp điện áp điều khiển cho hợp lý.
Dòng định mức: Id của MOSFET nên lớn hơn 20% hoặc nhiều hơn so với dòng
định mức sử dụng trong mạch Buck.
Trong mạch Buck của nhóm đã chọn Mosfet IRF 3205. Mạch thúc:
Có nhiều cách làm ra mạch thúc như sử dụng linh kiện rời, hoặc IC chuyên dụng.
Nhóm em đã chọn hướng là IC. Vì IC có kích thước nhỏ gọn và nếu sử dụng IC sẽ giảm khối lượng thi công làm mạch so với sử dụng linh kiện rời. Nhóm em sử dụng IC
IRF2101. IC này đã được trình bày trong phần cơ sở lý thuyết Chương 2 mục 2.10.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 68 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch thúc.
c. Nguyên lý hoạt động.
Xung PWM sẽđi Mạch thúc có chức năng điều khiển hoạt động của Mosfet trong