1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.3.2. Cấu tạo của ắc-quy
Cỏc bộ phận chủ yếu của ắc-quy axit gồm:
- Cỏc lỏ cực dương làm bằng PbO2 được ghộp song song với nhau thành một bộ chựm cực dương.
- Cỏc lỏ cực õm làm bằng Pb được ghộp song song với nhau thành một bộ chựm cực õm. Bộ chựm cực õm và chựm cực dương đặt xen kẽ với nhau theo kiểu răng lược, xen kẽ một lỏ cực (-) và một lỏ cực (+).
- Lỏ cỏch điện đặt giữa cỏc lỏ cực õm và lỏ cực dương để trỏnh hiện tượng chập mạch giữa cỏc điện cực khỏc dấu.
- Vỏ bỡnh thường được làm bằng cao su cứng đỳc thành hỡnh hộp, chịu được khớ núng lạnh, va chạm mạnh và được axit. Dưới đỏy bỡnh cú cỏc đế cao để dắt cỏc lỏ cực lờn, khi mựn của chất hoạt động rụng xuống thỡ đọng dưới rónh đế để trỏnh được hiện tượng chập mạch giữa cỏc điện cực do mựn gõy ra, nắp đậy ắc-quy cũng làm bằng vỏ cao su cứng, nắp cú cỏc lỗ để đổ dung dịch điện phõn và đầu cực luồn qua. Nỳt đậy để dung dịch khỏi tràn ngoài.
- Cấu nối bằng chỡ để nối tiếp cỏc đầu cực õm của ngăn ắc-quy này với cực dương của ngăn ắc-quy kế tiếp.
Hỡnh 2.45: Cấu tạo ắc quy
2.3.3. Phõn loại và nguyờn lý hoạt động của ắc quy
Ắc quy được phõn chia thành hai loại chớnh: ắc quy axớt kiểu hở và ắc quy axớt kiểu kớn khớ.
Hỡnh 2.46: Mụ phỏng bản cực ắc quy a-xớt
Trong hỡnh 2.46 bố trớ cỏch đặt hai cực ắc quy, hai cực được làm bằng Chỡ (Pb) và oxớt Chỡ (PbO2). Giữa cỏc bản cực là dung dịch axớt sulfuric (H2SO4) loóng, và dung dịch loóng chứa Nước (H2O) chiếm phần lớn thể tớch.
Ở trạng thỏi được nạp đầy, cỏc bản cực ắc quy ở trạng thỏi: cực dương là PbO2, cực õm là Pb, trong cỏc quỏ trỡnh phúng điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thỏi của cỏc cực bị thay đổi. Trạng thỏi húa học trong cỏc quỏ trỡnh phúng - nạp như hỡnh dưới đõy:
Quỏ trỡnh phúng điện diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy cú một thiết bị tiờu thụ điện, khi này xảy ra phản ứng húa học sau:
Tại cực dương:
2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2 (2.25) Tại cực õm:
Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 (2.26) Phản ứng chung gộp lại trong toàn bỡnh là:
Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O (2.27)
Quỏ trỡnh phúng điện kết thỳc khi PbO2 ở cực dương và Pb ở cực õm hoàn toàn chuyển thành PbSO4.
Do tỏc dụng của dũng điện nạp mà bờn trong ắc quy sẽ cú phản ứng ngược lại, phản ứng trong toàn bỡnh sẽ là:
2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2H2SO4 (2.28)
Kết thỳc quỏ trỡnh nạp thỡ ắc quy trở lại trạng thỏi ban đầu: Cực dương gồm: PbO2, cực õm là Pb. Trong thực tế, cỏc bản cực ắc quy cú số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bỡnh ắc quy lớn) và mỗi bỡnh ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn. Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tớch bản cực được nhiều hơn, giỳp quỏ trỡnh phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trớ và dũng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và dung lượng ắc quy cũng tăng lờn.
Hỡnh 2.48: Cỏc bản cực của ắc quy được gắn song song nhau
Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xớt chỉ cho mức điện ỏp khoảng 2 đến 2,2 V do đú để đạt được cỏc mức 6, 12 V thỡ ắc quy phải ghộp nhiều ngăn nhỏ với nhau, ta ghộp 3 ngăn để thành ắc quy 6V, ghộp 6 ngăn để thành ắc quy 12V.
Hỡnh 2.49: Bố trớ cỏc ngắn ắc quy
2.3.4. Một số đặc tớnh của ắc quy
a. Điện ỏp của ắc quy (theo dung lượng)
Điện ỏp của cỏc ắc quy là một số chẵn của 2, vớ dụ như ắc quy 2V, 6V, 12V, 24V... nhưng trờn thực tế thỡ điện ỏp thụng thường của cỏc ắc quy sẽ khỏc. Mức điện ỏp mà cỏc ắc quy cung cấp thường lớn hơn so với định mức của chỳng, vớ dụ như ắc quy 12V sẽ cung cấp mức điện ỏp 13V hoặc hơn. Mức điện ỏp mỗi ngăn bỡnh ắc quy a-xớt là 2,1 đến 2,2 V (±0,05V). Do tớnh chất của ắc quy axit mà cỏc ngăn của chỳng khụng thể cú mức điện ỏp cao hơn. Dung lượng của ắc quy a-xớt phụ thuộc vào mức độ điện ỏp (lỳc khụng phỏt dũng) như hỡnh sau:
Nếu loại ắc quy 24V thỡ nhõn thụng số ở mục điện ỏp một ngăn với 12.
Bảng 2.2: Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện ỏp
Dung lượng Điện ỏp ắc quy Điện ỏp mụt ngăn
100 12,7 2,12 90 12,5 2,08 80 12,42 2,07 70 12,32 2,05 60 12,20 2,03 50 11,06 2,01 40 11,9 1,98 30 11,75 1,96 20 11.58 1,93 10 11,31 1,89 0 10,5 1,75
Bảng trờn đỳng trong trường hợp ắc quy khụng mang tải, khi phỏt dũng thỡ cỏc ắc quy cú điện ỏp tụt xuống, trong trường hợp khụng phỏt dũng thỡ mức điện ỏp đo được đỳng trạng thỏi dung lượng cũn lại của ắc quy.
b. Dung lượng ắc quy và ảnh hưởng bởi chế độ phúng
Dung lượng là thụng số cơ bản, tham số này cho biết được khả năng lưu trữ điện năng của ắc quy. Đơn vị tớnh: Ah (Ampe giờ), một số ắc quy nhỏ hơn (và thường là cỏc pin) thỡ tớnh theo mức mAh (mili-ampe giờ). Vớ dụ như ắc quy 10 Ah thỡ cú thể phỏt một dũng điện 10A trong vũng một giờ, hoặc 5A trong 2 giờ,... hay 1A trong 10 giờ.
Thực tế dung lượng ắc quy bị thay đổi tuỳ theo cường độ dũng điện phúng ra. Nếu dũng điện phúng càng lớn thỡ dung lượng ắc quy cũn lại càng nhỏ và dũng điện phúng ra nhỏ thỡ dung lượng ắc quy cũn lại lớn. Dũng điện phúng nhỏ thỡ dung lượng được bảo toàn ở mức cao.
Thời gian (phỳt)
Ắc quy 100Ah Ắc quy 26Ah
Dũng phỏt (A) Dung lượng (Ah) Dũng phỏt (A) Dung lượng (Ah)
90 57 85 13 19 60 74 74 19 19 50 86 71 21 18 45 93 70 23 17 40 102 68 25 17 30 129 64 31 15 20 174 58 40 13 15 213 53 49 12 10 275 45 63 10
Khi ắc quy trong trạng thỏi cũn cú thể phúng điện thỡ cực dương là PbO2, cực õm là Pb quỏ trỡnh phúng điện sẽ làm cho cả hai đều biến thành PbSO4. Nếu quỏ trỡnh phúng điện diễn ra chậm thỡ cỏc cực được lần lượt chuyển thành PbSO4 và khụng bị đố lờn nhau (lớp PbSO4 đố lờn lớp PbO2 ở cực dương hoặc Pb ở cực õm), do đú dung lượng ắc quy khụng bị mất đi. Nếu phúng điện với dũng điện lớn thỡ phản ứng xảy ra mạnh, PbSO4 sinh ra nhiều và bỏm vào cỏc cực đố lờn cỏc lớp PbO2 hoặc Pb, sau một thời gian làm giảm dung lượng ắc quy.
2.3.4. So sỏnh hai loại ắc quy thụng dụng
Hiện cú hai loại ắc quy thụng dụng là: Ắc quy axớt kiểu hở và ắc quy axớt thiết kế theo kiểu kớn khớ - khụng bảo dưỡng (ắc quy khụ). Sự khỏc nhau giữa hai loại ắc quy thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.4: So sỏnh ắc quy axớt kiểu hở và ắc quy axớt thiết kế theo kiểu kớn khớ
Tiờu chớ Ắc quy axớt thụng thường (loại hở) Ắc quy axớt loại kớn khớ. Giỏ thành Rẻ hơn so với loại ắc quy kớn khớ
bởi chế tạo đơn giản hơn.
Đắt hơn so với ắc quy thụng thường, nhiều hóng phải nhập nước ngoài.
Cỏch phõn biệt hai
loại
Cú cỏc nỳt ở cỏc ngăn bỡnh dựng để bổ sung nước cất sau quỏ trỡnh sử dụng.
Khụng cú nỳt ở cỏc ngăn bỡnh, thường ghi rừ ắc quy khụng cần bảo dưỡng ở vỏ bỡnh hoặc tài liệu kốm theo.
Trạng thỏi phúng điện
Tương đương loại ắc quy thiết kế theo kiểu kớn khớ
Tương đương nhau, nhưng sau khi phỏt dũng điện lớn thỡ ắc quy kớn khớ thường phục hồi điện ỏp nhanh hơn. Trạng thỏi khi nạp điện và dũng nạp cho phộp - Khi nạp cú thể phỏt ra khớ chỏy hoặc khớ cú mựi khúi chịu.
- Dũng điện nạp lớn nhất chỉ nờn bằng 0,1 lần trị số dung lượng ắc quy (Vớ dụ loại 100Ah chỉ nờn nạp với dũng cao nhất là 10A)
- Khi nạp ắc quy khụng phỏt sinh khớ ra mụi trường bờn ngoài nờn khụng cú mựi.
- Dũng điện nạp cú thể lờn tới 0,25 lần trị số dung lượng ắc quy (vớ dụ loại 100 Ah cú thể nạp với dũng lớn nhất là 25A)
Chế độ bảo dưỡng
- Nếu mức điện dịch từng ngăn ở ắc quy thấp hơn quy định thỡ phải bổ sung.
- Định kỳ phải nạp điện bổ sung cho ắc quy. Chu kỳ nạp khoảng 3 thỏng/lần nếu khụng sử dụng
- Khụng phải bổ sung điện dịch trong quỏ trỡnh sử dụng.
- Phải nạp điện định kỳ trong thời gian khụng sử dụng, nhưng chu kỳ nạp định kỳ dài hơn so với loại ắc quy axớt thụng thường.
Tuổi thọ Tuổi thọ thấp hơn so với loại ắc quy kớn khớ.
Thường cú tuổi thọ cao hơn so với ắc quy loại hở thụng thường.
So bảng trờn: Ắc quy kớn khớ sẽ cú nhiều ưu điểm hơn so với ắc quy axớt thụng thường, khi sử dụng loại ắc quy axớt thụng thường cần điều chỉnh dũng nạp và trỏnh khụng gõy phỏt sinh tia lửa (do chạm chập dõy) gần ắc quy khi nạp bởi chỳng dễ gõy chỏy nổ hơn loại kớn khớ (quỏ trỡnh nạp cú thể xảy ra sự điện phõn nước để tạo ra hai chất khớ dễ chỏy nổ là Hiđrụ và ụxy).
Ngoài hai loại thụng dụng trờn, cũng cú một số loại ắc quy khụ sử dụng cỏc bản cực bằng PbO2 và Pb với điện mụi H2SO4 nhưng được trữ ở dạng keo sệt (gel). Ưu điểm của loại ắc quy này là chỳng khụng gõy mựi khú chịu khi nạp điện, khụng gõy chảy axit khi bị vỡ, cú thể hoạt động ở cỏc vị trớ đặt khỏc nhau. Nhược điểm là chế độ nạp khắt khe và khụng chịu được dũng nạp quỏ cao (khi nạp loại này chỉ được nạp với dũng nhỏ hơn 1/20 dung lượng), nếu thường xuyờn nạp dũng quỏ cao thỡ tuổi thọ giảm nhanh.
CHƯƠNG III. NGUYấN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ
CHIẾU SÁNG GIA ĐèNH
3.1. Phương phỏp thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hỡnh 3.1: Ngụi nhà sử dụng năng lượng mặt trời
Để thiết kế một hệ thống pin năng lượng mặt trời chỳng ta lần lượt thưc hiện cỏc bước sau:
a. Tớnh tổng cụng suất toàn tải
Là cụng suất của tất cả thiết bị khi sử dụng cựng một lỳc.
b. Tớnh số cụng suất cỏc tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải
Do tổn hao trong hệ thống, cụng suất của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn cụng suất của toàn tải.
Tổng cụng suất cỏc tấm pin mặt trời (PV modules) = 1,3*cụng suất của toàn tải.
c. Tớnh toỏn cụng suất của pin năng lượng mặt trời
Để tớnh toỏn cụng suất cỏc tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tớnh cụng suất (Wp) cần cú của một tấm pin mặt trời. Lượng điện năng mà pin mặt trời tạo ra tựy thuộc vào khớ hậu của từng vựng. Để thiết kế chớnh xỏc, ta phải khảo sỏt từng vựng và
đưa ra một hệ số phỏt điện của pin mặt trời (panel generation factor): Là tớch số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) trong cỏc thỏng ớt nắng của vựng, đơn vị tớnh của nú là (kWh/m2/ngày).
Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam là khoảng 4.58 kWh/m2/ngày cho nờn lấy tổng số cụng suất cỏc tấm pin mặt trời chia cho 4.58 ta sẽ cú tổng số Wp của tấm pin mặt trời.
Mỗi tấm pin năng lượng mặt trời đều cú thụng số cụng suất (Wp) riờng, lấy tổng số cụng suất thiết kế chia cho thụng số Wp của pin năng lượng mặt trời ta sẽ được số lượng tấm pin mặt trời cần sử dụng tối thiểu.
Số tấm pin mặt trời lớn, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của ắc quy sẽ cao hơn. Nếu số tấm pin mặt trời ớt, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày rõm mỏt, rỳt cạn kiệt ắc quy và sẽ làm ắc quy giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thỡ giỏ thành hệ thống cao. Thiết kế hệ pin mặt trời cũn tựy thuộc vào độ dự phũng của hệ thống. Vớ dụ một hệ thống pin năng lượng mặt trời cú độ dự phũng 4 ngày, (gọi là autonomy day: những ngày khụng cú nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thỡ bắt buộc lượng ắc quy phải tăng hơn và phải tăng số lượng pin mặt trời. Tiếp đú là lựa chọn loại pin năng lượng mặt trời tối ưu, thớch hợp với vựng địa lý và thời tiết.
d. Tớnh toỏn bộ chuyển đổi DC-AC
Bộ inverter phải đủ lớn để cú thể đỏp ứng được khi tất cả tải hoạt động cựng lỳc, nú phải cú cụng suất bằng 125% cụng suất tải. Nếu tải là motor thỡ phải tớnh toỏn thờm cụng suất để đỏp ứng thời gian khởi động của motor.
Chọn inverter cú điện ỏp vào danh định phự hợp với điện ỏp danh định của ắc quy. Đối với hệ pin năng lượng mặt trời kết nối vào lưới điện thỡ khụng cần ắc quy, điện ỏp vào danh định của inverter phải phự hợp với điện ỏp danh của hệ pin mặt trời.
e. Tớnh toỏn ắc quy.
Lựa chọn loại ắc quy cú tuổi thọ cao, ớt bảo dưỡng. Số lượng ắc quy cần dựng cho hệ thống pin năng lượng mặt trời: Số lượng ắc quy đủ cung cấp điện cho những ngày dự phũng (autonomy day) khi cỏc tấm pin mặt trời khụng sản sinh ra điện được. Ta tớnh dung lượng ắc quy M khi khụng cú dự phũng như sau:
- Hiệu suất của ắc H quy chỉ khoảng 85% cho nờn chia số Wh của tải tiờu thụ với 0.85 ta cú Wh của ắc quy.
- Với mức deep of discharge DOD (mức xả sõu) là 0.6, ta chia số Wh của ắc quy cho 0.6 sẽ cú dung lượng ắc quy Ah.
U A U DOD H A M . 6 , 0 . 85 , 0 . .∑ = ∑ = (3.1)
Với U là điện thế ắc quy.
Dung lượng ắc quy cho hệ thống cú dự phũng MDp:
U DOD H D A MDp . . . ∑ = (3.2) Trong đú D là số ngày dự phũng.
f. Thiết kế bộ điều khiển sạc.
Bộ điều khiển sạc cú điện thế vào phự hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của ắc quy. Đối với cỏc hệ pin mặt trời lớn, được thiết kế thành nhiều dóy song song và mỗi dóy sẽ do một bộ điều khiển sạc phụ trỏch. Cụng suất của bộ điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện năng từ pin năng lượng mặt trời và đủ cụng suất để nạp ắc quy.
Bộ điều khiển sạc cú dũng Imax = 1,3.dũng ngắn mạch của pin năng lượng mặt trời.
Vớ dụ cụ thể:
Tớnh cho 1 hộ dõn vựng sõu cú yờu cầu sử dụng như sau: 2 búng đốn 18 Watt sử dụng từ 6-10 giờ tối.
2 quạt mỏy 60 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 4 giờ. 1 tủ lạnh 75 Watt chạy liờn tục 24/24.
Xỏc định tổng lượng điện tiờu thụ mỗi ngày:
= (2.18.4) + (60.2.4) + (75.10 ) = 1374 Wh/ngày (tủ lạnh tự động ngắt khi đủ lạnh nờn xem như chạy 10 giờ nghỉ 14 giờ).
Tớnh pin mặt trời (PV panel):
PV panel = 1374.1,3 = 1786 Wh/day.
Tổng Wp của PV panel = 1786 / 4.58 = 390Wp
Chọn loại PV cú 110Wp thỡ số PV cần dựng là 390 / 110 chọn 4 tấm.
Tớnh toỏn bộ chuyển đổi DC-A:.
Cụng suất inverter = 231.125% = 289W Chọn inverter 300W trở lờn. Tớnh toỏn ắc quy: 224 12 . 6 , 0 . 85 , 0 1374 = = M
Với 3 ngày dự phũng, dung lượng bỡnh = 224.3 = 672 Ah Như vậy chọn ắc quy 12V/600Ah cho 3 ngày dự phũng.
Tớnh toỏn bộ điều khiển sạc:
Thụng số của mỗi PV module: Pm = 110 Wp, Vm = 16,7 VDC, Im = 6,6 A, Voc = 20,7 A, Isc = 7,5 A
Như vậy bộ điều khiển sạc = 4.7,5.1,3 = 39 A
Chọn bộ điều khiển sạc cú dũng 39A/12 V hay lớn hơn.
3.2.Tớnh toỏn,thiết kế, thi cụng bộ chuyển đổi DC-AC cụng suất 600W
Sơ đồ khối tổng quỏt:
Hỡnh 3.2: Sơ đồ khối mạch inverter
Cỏc thành phần chớnh:
a. Khối tạo giao động tần số 50Hz
Nhiệm vụ của khối là tạo ra súng giao động đưa vào khối cụng suất với tần số điện cụng nghiệp. Súng thường là hỡnh sin hoặc vuụng. Khối cụng suất cú trở khỏng