của Đại học Nha Trang
Sau khi tiến hành tháo lớp vỏ của bộ điều khiển sạc pin mặt trời ta được phần mạch như Hình 6.5
Ta có sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển sạc pin mặt trời như Hình 6.7.
Nguyên lý hoạt động của mạch: Mạch hoạt động với nguyên lý khá đơn giản như sau:
IC741 có tác dụng so sánh điện áp giữa tấm pin mặt trời với điện áp của acquy: Vào ban đêm hoặc trời không có nắng làm cho điện áp tấm pin mặt trời giảm xuống nhỏ hơn điện áp của acquy lúc này đầu ra tại chân số 6 của IC741 sẽ là mức điện áp thấp (mức 0) như vậy ổn áp IC7805 sẽ không có điện, mà IC7805 cung cấp nguồn 5V
Hình 6.9 : Mạch điều khiển sạc pin mặt trời
cho flip-flop HEF4013BP và op amp LM358N hoạt động vì thế acquy không được nạp.
Vào ban ngày lúc trời có nắng khi đó điện áp của tấm pin mặt trời lớn hơn điện áp của bình acquy lúc này đầu ra tại chân số 6 của IC741 sẽ là mức điện áp cao (mức 1) và cấp nguồn đầu vào cho IC ổn áp 7805 cho ra nguồn 5V cấp nguồn cho flip-flop HEF4013BP và op amp LM358N hoạt động. IC7805 cung cấp điện áp +5V vào chân số 2 của nửa trên op amp LM358N đây là điện áp tham chiếu để đối chiếu với điện áp của acquy, các điện trở R10 = 540K, R11 = 92K và biến trở VR làm cầu phân áp vào chân 3 của LM358N.
Lúc này xảy ra hai trường hợp:
+ Nếu acquy cạn: Điện áp của chân số 3 nhỏ hơn điện áp tham chiếu tại chân số 2, đầu ra khuếch đại thuật toán ở mức điện áp thấp (mức 0) lúc này đầu vào chân số 5 của flip-flop HEF4013BP ở mức 0 vì thế đầu ra cho mức điện áp thấp không kích được transistor TIP41 dẫn, pin mặt trời được nạp vào acquy.
+ Nếu acquy đầy: Điện áp chân số 3 nhỏ hơn điện áp tham chiếu tại chân số 2, đầu ra khuếch đại thuật toán ở mức điện áp cao (mức 1) lúc này đầu vào chân số 5 của Flip-Flop HEF4013BP ở mức điện áp cao vì thế đầu ra cho mức điện áp cao kích dẫn transistor TIP41 ngắt điện áp nạp vào pin mặt trời.
Nửa dưới của op amp LM358N có tác dụng tạo xung CLK đưa vào HEF4013BP cho nó hoạt động.
Đầu ra chân số 13 của HEF4013BP dẫn tới hệ thống đèn báo. Mosfet IRF540 làm nhiệm vụ đóng cắt
trong mạch.
Tiến hành đo đạc khi mạch đang nạp vào acquy cạn:
Dùng Oscilloscope ta đo được dạng xung của mạch tại điểm số (I) được đánh dấu trên Hình 6.8.
Theo Hình 6.7 mỗi chu kỳ tín hiệu chiếm khoảng 2,25 ô, thang đo đang ở 2ms nên ta suy ra chu kỳ tín hiệu là T = 2,25*2ms = 4.5ms.
Vậy tấn số 1 1 3 222, 2 4,5*10
F Hz
T
.
Tiến hành đo điện áp tại các điểm đánh dấu (II) và (III) trên Hình 6.6 khi điện áp điện mặt trời thay đổi:
Điện áp pin mặt trời (Upin) Điện áp tại vị trí (II) (U2) Điện áp tại vị trí (III) (U3)
10V 2,5V 0,94V
12V 3,1V 2,3V
13V 5V 3,75V
20V 5V 3,79V
Từ Bảng 6.6 có thể thấy rằng khi điện áp pin mặt trời lớn hơn 13V thì IC7805 mới hoạt động và cấp nguồn cho flip-flop HEF4013BP và LM358N hoạt động từ đó mới quyết định nạp acquy hay không nạp vào acquy qua sự so sánh điện áp của LM358N.
Kết luận: Sau khi phân tích bộ nạp acquy có thể thấy rằng mạch hoạt động ổn định với cấu tạo không quá phức tạp. Tuy nhiên, mạch hoạt động thời gian lâu dẫn đến toả nhiệt khá nhiều tại mosfet IRF540 và IC 7805 nên cần phải có tản nhiệt. Mạch sẽ giảm tuổi thọ khi dùng ở điều kiện lồng bè nơi có hơi biển gây ẩm.
SO SÁNH, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
So sánh
Trước khi áp dụng hệ thống điện mặt trời vào thực tế, lồng bè phải sử dụng nguồn năng lượng sức gió để nạp vào acquy từ đó cung cấp cho các phụ tải. Nhưng do vị trí địa lý đặt lồng bè lượng gió thường không ổn định dẫn đến không đủ nạp vào acquy gây thiếu điện và phải đưa acquy vào đất liền nạp gây mất thời gian và công sức.
Sau khi lắp đặt hệ thống điện mặt trời, hệ thống đã đem lại hiệu quả cao:
- Đảm bảo nạp đầy acquy tại chỗ, cung cấp điện đầy đủ cho các phụ tải trên lồng bè.
- An toàn, thân thiện với môi trường. Kết luận
Sau thời gian nghiên cứu, tiến hành lắp đặt thực tế và nhận được sự giúp đỡ của nhiều người, đặc biệt là Thầy Trần Tiến Phức tôi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những nội dung chính sau:
Đánh giá được tầm quan trọng năng lượng mặt trời hiện nay và tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam.
Biết được ưu điểm, nhược điểm điện mặt trời trong thực tế. Phân tích cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời.
Phương pháp thiết kế một hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Khảo sát thực trạng hệ thống phụ tải trên lồng bè nuôi thuỷ sản trên biển tại Nha Trang.
Phân tích, tính toán hệ thống điện mặt trời đưa ra cấu hình khả thi cho phụ tải trên lồng bè của Trường Đại học Nha Trang.
Tiến hành triển khai lắp đặt hệ thống điện mặt trời vào thực tế tại lồng bè của Trường Đại học Nha Trang.
Do kiến thức tôi còn hạn chế nên chắc chắn đề tài không tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi rất mong các Thầy Cô giáo và các bạn nhận xét cho ý kiến đóng góp để tôi hoàn thiện tốt hơn đồ án của mình.
Kiến nghị
Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên ngoài những kết quả đạt được tôi xin có đề xuất áp dụng nghiên cứu thực hiện hệ thống “định hướng pin mặt trời” sao cho mặt phẳng tấm pin luôn vuông góc với hướng mặt trời tại mỗi thời khoảng thời gian trong ngày để tăng hiệu suất của pin mặt trời.
Hoàn thiện bộ điều khiển sạc pin mặt trời: Thiết kế chống ẩm cho mạch vì mạch nạp được sử dụng ở môi trường biển, và tìm cách tản nhiệt cho mạch để tuổi thọ mạch cao hơn.
Thay thế các bóng chiếu sáng ở dưới các lồng (ban đêm thường dùng bắt một số loài cá) bằng các bóng led công suất 12V DC.
Vì thiết bị dùng để liên lạc trên lồng bè chủ yếu là điện thoại di động nên khi điện thoại hết pin phải qua bộ chuyển đổi DC-AC rồi qua bộ sạc điện thoại, điều này gây tổn hao năng lượng và gây nguy hiểm vì thế cần nghiên cứu thiết kế bộ sạc cho điện thoại di động dùng nguồn 12V DC từ bình acquy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng, Nxb Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. [2] http://www.khoahoc.com.vn/congnghemoi/phat-minh/35554_Mat-troi-Nguon- nang-luong-cua-tuong-lai-Phan-1.aspx [3] http://www.ihr.org.vn/detail/tiem-nang-nang-luong-mat-troi-va-ung-dung-cong- nghe-dien-mat-troi-tai-cac-tinh-tay-bac.html [4] http://www.petrotimes.vn/nang-luong-xanh/2012/03/viet-nam-co-tiem-nang-vo- han-ve-nang-luong-mat-troi [5] http://www.vietnamep.com/energy/index.php?/y-mnh-sn-xut-in-mt-tri-ti-vit- nam.vietnamep [6] http://www.nangluongmattroi.com/ung-dung/177-ung-dung-nang-luong-mat- troi-tai-viet-nam.html [7] http://en.wikipedia.org/wiki/555_timer_IC [8] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/5/IRF540.shtml
PHỤ LỤC Hệ thống định hướng pin mặt trời:
Như chúng ta thường thấy, pin măt trời được lắp đặt cố định vào một tấm đế, do đó hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm pin (12h). Ngoài thời điểm này ra, hiệu suất pin mặt trời sẽ giảm.
Vấn đề đặt ra: Làm thế nào để hiệu suất của pin được tối đa.
Để nâng cao hiệu suất của pin cần có một hệ thống điều khiển để luôn xác định được hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó mới điều khiển cho mặt phẳng của tấm pin hướng về phía vuông góc với ánh sáng.
Hình dưới đây so sánh hiệu suất của 1 hệ thống pin mặt trời gắn cố định và hệ thống pin mặt trời được điều khiển:
Rõ ràng thời gian đạt hiệu suất đỉnh của pin có điều khiển sẽ được kéo dài ra.Ta thấy rằng, điện năng của 1 hệ thống pin có điều khiển tạo ra trong vòng 24h (PS), sau khi trừ đi phần năng lượng để nuôi hệ thống (PC) thì còn lại là năng lược có ích (Ptotal). Rõ ràng, P_total khi pin mặt trời có điều khiển lớn hơn nhiều so với Ptotal khi pin mặt trời cố định.
Hệ thống điều khiển nói chung gồm 3 phần: - sensor (loại LDR là phổ biến) - xử lý
Bộ xử lý lại chia làm 2 loại:
- loại dùng vi điều khiển ADC
- loại dùng các op - am (mạch so sánh) và các linh kiện phụ trợ.
Ở đây chúng ta nói đến phần sensor và mạch xử lý dùng vi điều khiển để điều khiển động cơ.
Nguyên lý hoạt động như sau:
Điều khiển tấm pin luôn hướng theo mặt trời (vuông góc với ánh nắng) cần 2 trục tự do (quay trong không gian) mỗi trục tự do được điều khiển bởi 1 động cơ và 2 (tối thiểu) sensor ánh sáng đi kèm.
2 sensor được bố trí trên mặt tấm pin và song song với tấm pin.
Khi hoạt động, bộ điều khiển liên tục đọc cường độ ánh sáng do 2 sensor đưa về thông qua 1 bộ ADC.
Nếu giá trị ADC đọc về nhỏ hơn 1 giá trị ngưỡng nào đó thì có nghĩa là trời có mây. Nếu giá trị ADC đọc về rất nhỏ (gần=0) có nghĩa trời tối.
Việc xác định các ngưỡng trời tối, trời có mây và trời nắng được xác định bằng thực nghiệm. Có được các giá trị này thì ta mới có thể điều khiển các chế độ làm việc cho bộ định hướng hoạt động tối ưu được.
2 giá trị cường độ ánh sáng do 2 sensor đưa về ta lưu vào 2 biến
Giả sử cường độ ánh sáng sensor bên trái lớn hơn cường độ ánh sáng sensor bên phải, khi đó bộ định hướng sẽ điều khiển tấm pin quay về phía trái, trong quá trình quay, nó sẽ liên tục đọc giá trị ADC của 2 sensor đưa về và so sánh cho đến khi nào
chúng bằng nhau, lúc này dừng động cơ và có thể hiểu: mặt trời đang ở giữa 2 sensor. Tương tự như vậy khi giá trị ADC của sensor phải lớn hơn.
Ta quan sát hình sau:
State A và State C là 2 trạng thái cần điều khiển
State B là trạng thái ổn định, mặt trời đã ở giữa, lúc này pin mặt trời có hiệu suất cao nhất. Ta cho dừng động cơ.
Chú ý: nếu là 1 hệ thống hoạt động thực tế (không phải trong phòng thí nghiệm) thì phải sau 1 khoảng thời gian (5 phút chẳng hạn) thì ta mới điều khiển một lần. Vì nếu diều khiển liên tục, động cơ sẽ tiêu thụ hết năng lượng chứa trong bình acquy của pin mặt trời.
Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là một vấn đề. Chúng ta đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại một thời nhất định, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu khác nhau.
Lật lại vấn đề bên trên, giả sử ban đêm, vì lý do nào đó có 1 nguồn sáng chiếu vào tấm pin mặt trời thì ta làm thế nào? Cho tấm pin hoạt động hay không hoạt động?
Thông thường, ta có thể gắn thêm linh kiện để nâng cao tính chính xác và linh động cho bộ điều khiển.
Linh kiện ở đây là 1 con RTC (Real Time Clock).
Tức là, ngoài việc xác định trời nắng, trời râm, trời tối ra. Nó còn biết được đang là đêm hay ngày.
Như trường hợp ban đêm mà có nguồn sáng khác chiếu vào chẳng hạn, ta sẽ kiểm tra biến thời gian xem đang là đêm hay ngày, nếu là ban đêm thì hệ thống không hoạt động.
Ngoài ra RTC còn cho ta biết đang là tháng mấy, mùa nào để điều khiển góc nghiêng theo hướng đúng mặt trời (nếu hệ thống của ta điều khiển 2 trục tự do).