Mô hình pin năng lượng mặt trời được thiết kế với công suất nhỏ phù hợp với các thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp, đặc biệt là các thiết bị di động, hoặc dùng cho trường hợp chiếu sáng khẩn cấp, thay thế cho điện lưới khi cúp điện hoặc những khu vực không có điện lưới. Với các tiêu chí nêu trên, hệ thống cần cung cấp nguồn điện ổn định phù hợp với thiết bị tiêu thụ như 5VDC, 12VCD, 220VAC.
Với các thiết bị như đèn chiếu sáng thường dùng nguồn 12VDC có thể lấy trực tiếp từ Ắc-quy, hoặc các thiết bị dùng nguồn 220VAC có thể dùng nguồn 12VDC thông qua Inverter. Với thiết bị tiêu thụ điện áp thấp như thiết bị di động, các loại đèn sạc công suất nhỏ,… thường sử dụng nguồn điện 5VDC từ cổng nguồn USB.
Nguồn 5VDC có thể tạo ra được từ nhiều cách khác nhau như ổn áp tuyến tính dùng LM7805 nhưng hiệu suất khá thấp, dòng điện có thể tải tối đa chỉ 1A và rất nóng vì vậy sẽ gây lãng phí lớn. Đối với phương pháp ổn áp xung, hiệu suất được đẩy lên rất cao và hầu như rất ít nóng khi hoạt động. Dòng điện tải có thể rất lớn khi chọn các linh kiện phù hợp. Ví dụ như IC LM2576 có thể tải dòng liên tục 3A theo phương pháp ổn áp xung( xem them chi tiết ở phụ lục B).
Hình 3.7:Sơ đồ nguyên lý IC LM2576
Hình 3.8:Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp xung
Khi hoạt động giảm áp theo kiểu PWM, mạch điện sẽ tạo ra tần số đóng cắt rất cao, vì vậy cần dùng các linh kiện phù hợp như Diode schottky, cuộn cảm có khả năng chịu dòng tải và có giá trị điện cảm phù hợp.
Hình 3.9:Giản đồ xung PWM
3.5. Mạch hiển thị áp và dòng
Đối với hầu hết các thiết bị điện, đặc biệt là thiết bị lưu trữ, cung cấp năng lượng đều cần các cơ cấu chỉ thị các giá trị về điện áp, dòng điện, công suất… các cơ cấu hiển thị giúp cho người vận hành dể dàng hơn trong việc giám sát, vận hành thiết bị. Với mô hình cung cấp năng lượng từ panel mặt trời, sự có mặt của các cơ cấu hiển thị là điều cần thiết để người vận hành giám sát được mức năng lượng được lưu trữ trong quá trình hệ thống hoạt động. Các cơ cấu hiện thị hiện này có nhiều dạng như cơ cấu hiển thị cơ học (đồng hồ kim), hoặc cơ cấu hiển thị điện tử (đồng hồ số)… và trong số đó, cơ cấu hiển thị điện tử nhanh và chính xác hơn các cơ cấu khác. Vì vậy, trong mô hình này sẽ được tích hợp các cơ cấu hiển thị số về các đại lượng như: Áp ngõ vào, áp ngõ ra, dòng ngõ vào, dòng ngõ ra…
Để tiết kiệm chi phí mà không làm ảnh hưởng đến sự chính xác của các cơ cấu hiển thị, em có nghiên cứu, thiết kế và thi công các cơ cấu hiện thị số dùng màn hình LCD16x2(xem chi tiết tại phụ lục C) hiển thị trên màn hình, và được hiệu chỉnh để đo các đại lượng áp, dòng theo sự chính xác của 1 VOM số thông dụng.
CHƯƠNG 4:THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
4.1 .Lưu đồ giải thuật cho hệ thống
Mô hình luận văn “Nâng Cao Hiệu Suất Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng Vào Đời Sống” có sử dụng các hệ thống điều khiển tự động nhờ vào cảm biến, vào các chương trình, thuật toán… để có thể tự động xoay theo hướng ánh sáng và dò tìm điểm công suất cực đại. Ta có lưu đồ tổng quan của toàn hệ thống như sau:
Hình 4.1:Lưu đồ thuật toán điều khiển
4.2.Chương trình (trình bày trong phần phụ lục D).
Nhánh dò điểm công suất cực đại bằng thuật toán
Bước 1:Kiểm tra hệ thống đạt công suất cực đại chưa?
-Nếu hệ thống chưa đạt cực đại dò tìm điểm công suất cực đại bằng thuật toán -Nếu hệ thống đạt điểm công suất cực đại qua bước 2
Bước 2:Kiểm tra Ắc-quy nạp đầy năng lượng chưa? -Nếu đúng thì không làm gi cả
-Nếu sai thì sạc điện cho Ắc-quy.Sạc điện cho Ắc-quy kiểm tra 3 điều kiện sau Bước 2.1:Kiểm tra có cần nguồn DC 12V không ?
-Nếu không cần nguồn 12VDC thì không cấp nguồn -Nếu cần thì cấp nguồn 12VDC cho tải
Bước 2.2:Kiểm tra các đại lượng điện?
-Nếu không cần theo dõi các đại lượng điện thì không cần cấp nguồn -Nếu cần theo dõi thì hiển thị các thông số của hệ thống
Bước 2.3:kiểm tra có cần nguồn DC 5V không? -Nếu không cần thì không cấp nguồn 5VDC -Nếu cần thì cấp nguồn DC 5V cho tải
Nhánh kiểm tra tấm pin mặt trời có đúng hướng chiếu sáng không -Đầu tiêu kiểm tra cảm biến có đúng hướng chiếu sáng không?
+Nếu đúng thì động cơ không cần xoay tấm pin mặt trời theo hướng ánh sáng +Nếu cảm biến không đúng hướng chiếu sáng thì phải so sánh 2 quang trở coi con nào có giá điện trở lớn hơn gởi tín hiệu điều khiển động cơ xoay tấm pin theo hướng có ánh sáng nhiều
CHƯƠNG 5:KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1.Kết quả.
Đề tài “Nâng Cao Hiệu Suất Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng Vào Đời Sống” đã thực hiện được nhiều điểm mấu chốt trong việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời và ứng dụng vào đời sống.Mô hình đã hoạt động đúng với các yêu cầu đề ra.Panel mặt trời đặt trên cơ cấu chuyển động của khung có thể tự xoay theo hướng ánh sáng dựa vào cảm biến
Hình 5.1:Mô hình pin mặt trời tự xoay theo hướng ánh sáng
Hệ thống mạch dò tìm điểm cực đại hoạt động với hiệu suất rất cao và nâng công suất của pin mặt trời cao hơn so với khi không dùng mạch,giúp nâng cao hiệu suất của toàn hệ thống
Hình 5.2:mô hình điều khiển và giám sát
Mạch sạc Ắc-qui theo phương pháp xạc 3 giai đoạn hoạt động hiệu suất cao nhờ sạc bằng nguồn xung PWM, có tích hợp mạch bảo vệ Ắc-qui, giúp Ắc-qui nạp đầy nhanh hơn và luôn trong trạng thái tốt nhất
Hình 5.3:Board mạch chính của mô hình
Cơ cấu chỉ thị hoạt động hiệu quả,chính xác và tạo điều kiện quan sát dễ dàng cho người vận hành
Một vài hình ảnh khác của mô hình
Hình 5.5:Sơ đồ mạch in
Hình 5.7:Hình ảnh tổng thể mô hình tự xoay
Hình 5.9:Mạch cảm biến hướng chiếu sáng
Hình 5.10:Cận cảnh trục xoay và cơ cấu truyền động
5.2.Hướng phát triển
- Ứng pin mặt trời vào mô hình có công suất lớn hơn trong đời sống.
- Thiết kế bộ khung xoay bằng inox bền bỉ hơn theo thời gian
- Tiếp tục phát triểnvà ứng dụng các giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại để nhanh chóng bám sát điểm cực đại và ổn định
-Ứng dụng vào mô hình năng lượng mặt trời lớn,từ đó có thể kết nối với lưới điện
5.3.Kết luận
- Mô hình đã hoạt động tốt và đúng với yêu cầu đặt ra từ đầu,có thể nâng cao hiệu suất panel mặt trời tại mọi thời điểm
-Mô hình có giá không quá đắt và có thể ứng dụng tại nhiều nơi, có thể làm nguồn cung cấp điện cho những hộ gia đình tại khu vực chưa phát triển điện lưới, hoặc làm nguồn cung cấp dự phòng khi cúp điện
Một lần nữa em chân thành cảm ơn đến thầy Th.s Nguyễn Nhân Bổn,quí thầy cô trong khoa và các bạn đã tạo mọi điều kiện và giúp đở để em hoàn thành luận văn này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Giáo Trình
[1] Nguyễn Đình Phú (2006), Giáo trình Vi Điều Khiển PIC, trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh,147 trang
[2] Nguyễn Đình Phú (2/2014), Giáo trình thực hành Vi Điều Khiển PIC, trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh,126 trang
[3] Đặng Đình Thống (2008), Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa Học
Kỹ Thuật,152 trang
[4] Hoàng Ngọc Văn (2010), Giáo trình Điện Tử Công Suất , trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, 220 trang
Internet
[5] http://www.dientuvietnam.vn
[6] http://www.thegioidien.com.vn
PHỤ LỤC
Phụ lục A: PIC16F887
High-Performance RISC CPU:
• Only 35 Instructions to Learn:
- All single-cycle instructions except branches • Operating Speed:
- DC – 20 MHz oscillator/clock input - DC – 200 ns instruction cycle • Interrupt Capability
• 8-Level Deep Hardware Stack
• Direct, Indirect and Relative Addressing modes
Special Microcontroller Features:
• Precision Internal Oscillator: - Factory calibrated to ±1%
- Software selectable frequency range of 8 MHz to 31 kHz
- Software tunable
- Two-Speed Start-up mode
- Crystal fail detect for critical applications - Clock mode switching during operation for power savings
• Power-Saving Sleep mode
• Wide Operating Voltage Range (2.0V-5.5V) • Industrial and Extended Temperature Range • Power-on Reset (POR)
• Power-up Timer (PWRT) and Oscillator Start-up Timer (OST)
Option
• Enhanced Low-Current Watchdog Timer (WDT) with On-Chip Oscillator (software selectable nominal 268 seconds with full prescaler) with software enable
• Multiplexed Master Clear with Pull-up/Input Pin • Programmable Code Protection
• High Endurance Flash/EEPROM Cell: - 100,000 write Flash endurance
- 1,000,000 write EEPROM endurance - Flash/Data EEPROM retention: > 40 years • Program Memory Read/Write during run time • In-Circuit Debugger (on board)
Peripheral Features:
• 24/35 I/O Pins with Individual Direction Control: - High current source/sink for direct LED drive - Interrupt-on-Change pin
- Individually programmable weak pull-ups - Ultra Low-Power Wake-up (ULPWU) • Analog Comparator Module with: - Two analog comparators
- Programmable on-chip voltage reference (CVREF) module (% of VDD)
- Fixed voltage reference (0.6V)
- Comparator inputs and outputs externally accessible
- SR Latch mode
- External Timer1 Gate (count enable) • A/D Converter:
- 10-bit resolution and 11/14 channels • Timer0: 8-bit Timer/Counter with 8-bit
Programmable Prescaler • Enhanced Timer1:
- 16-bit timer/counter with prescaler - External Gate Input mode
- Dedicated low-power 32 kHz oscillator
• Timer2: 8-bit Timer/Counter with 8-bit Period Register, Prescaler and Postscaler
• Enhanced Capture, Compare, PWM+ Module: - 16-bit Capture, max. resolution 12.5 ns
- Compare, max. resolution 200 ns
- 10-bit PWM with 1, 2 or 4 output channels, programmable “dead time”, max.frequency 20 kHz
- PWM output steering control • Capture, Compare, PWM Module: - 16-bit Capture, max. resolution 12.5 ns - 16-bit Compare, max. resolution 200 ns - 10-bit PWM, max. frequency 20 kHz • Enhanced USART Module:
- Supports RS-485, RS-232, and LIN 2.0 - Auto-Baud Detect
- Auto-Wake-Up on Start bit
• In-Circuit Serial ProgrammingTM (ICSPTM) via Two Pins
• Master Synchronous Serial Port (MSSP) Module supporting 3-wire SPI (all 4 modes) and I2C™ Master and Slave Modes with I2C Address Mask
Bảng 1.1:Chức năng các chân PIC16F887
Phụ lục B: LM2576
Features
- 3.3V, 5V, 12V, 15V, and adjustable output versions.
- Adjustable version output voltage range, 1.23V to 37V (57V for HV version) ±4% maxover line and load conditions.
- Guaranteed 3A output current.
- Requires only 4 external components. - 52kHz fixed frequency internal oscillator.
- TTL shutdown capability, low-power standby mode. - High efficiency.
- Uses readily available standar dinductors. - Thermal shutdown and current limit protection. - P+ Product Enhance menttested.
Applications
- Simple high-efficiency step-down (buck) regulator. - Efficient pre-regulator for linear regulators.
- On-card switching regulators.
- Positive tonegative converter (Buck-Boost).
Absolute Maximum Ratings: If Military/Aerospace specified device sare required, please contact the National Semiconductor Sales Office/ Distributors foravailability and specifications.
Maximum Supply Voltage
LM2576 45V
LM2576 HV 63V
ON/OFF Pin Input Voltage −0.3V ≤ V ≤ +VIN
Output Voltage to Ground
(Steady State) −1V
Power Dissipation Internally Limited
Storage Temperature Range −65˚Cto+150˚C Maximum Junction Temperature 150˚C
Minimum ESD Rating
(C=100pF, R=1.5kΩ) 2kV
Lead Temperature
(Soldering, 10Seconds) 260˚C
Temperature Range LM2576/LM2576 HV −40˚C ≤ TJ ≤ +125˚C Supply Voltage LM2576 40V LM2576HV 60V Electrical characteristics of LM2576-3.3, LM2576 HV -3.3 Electrical characteristics of LM2576-5.0, LM2576HV-5.0 Bảng 1.2: Đặc tính điện của LM2567.
Phụ lục: C LCD16x2
Hình 6.2:Sơ đồ khối của LCD
1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
2 VD
D
Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
6 E Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.
7- 14
DB0 - DB7
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
Phụ lục: D chương trình hoạt động của mô hình
Viết bằng phần mềm mikroC for PIC v.5.0.1 sbit led1 at RE0_BIT;
sbit led1 at RE1_BIT; sbit led1 at RE2_BIT;
// LCD module connections
sbit LCD_RS at RB5_bit; sbit LCD_EN at RB4_bit; sbit LCD_D4 at RB3_bit; sbit LCD_D5 at RB2_bit; sbit LCD_D6 at RB1_bit; sbit LCD_D7 at RB0_bit;
sbit LCD_RS_Direction at TRISB5_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISB4_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISB3_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISB2_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISB1_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISB0_bit;
// End LCD module connections
sbit led1 at TRISE0_BIT; sbit led1 at TRISE1_BIT; sbit led1 at TRISE2_BIT;
//Variable---
usigned long adc_ACCU=0,adc_PV=0,adc_load=0,p_in1000=0, p_out1000=0; int volt_ACCU=0,I_IN=0, stage_bit=0,volt_load=0, i_load=0,volt_ACCU_lcd, volt_PV_lcd, p_in1000_lcd, I_IN_lcd, I_LOAD_lcd, p_out1000_lcd;
unsigned int volt_PV=0,count_protect=0,count_protect2=0,count_alarm=0, I_bulk,I_float,volt_accu_float=0,volt_accu_full=0,test_cnt=0,I_IN_10=0,next_pwr=0, prev_pwr=0;
unsigned int volt_low=0,volt_full=0,volt_float =0,volt_over=0 ,LCD_CNT=0; unsigned char flag=1,duty_cnt=0,duty=0,const_duty=0,led_dich_cnt=0,
voltage_direction=0;
unsigned char stage=0,adc_cnt =0,i=0,mode=0,receive,led_mode_cnt=0, count=0, mode_cnt=0, Charge_cnt=0 ,lcd_cnt1=0 ,sun_cnt=0 ,check_cnt=0;
bit I_IN_ok,volt_ACCU_ok,pv_ok,stage2_bit,stage3_bit; float Fvolt_ACCU=0, fvolt_load=0,Fi_load;
void init_main(){
WDTCON = 0b00010101;
ANSEL = 0x0F; // Configure AN0, AN1, AN2, AN3 pin as analog ANSELH = 0; // Configure other AN pins as digital I/O
C1ON_bit = 0; // Disable comparators C2ON_bit = 0;
Lcd_Init(); // Initialize LCD
Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); // Cursor off // IN-OUT led1_D = 0; led2_D = 0; led3_D = 0; flag =1; pwm1_init(10000); PWM1_Start(); PWM1_Set_Duty(0); duty=0; asm CLRWDT;
Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); lcd_chr(1,1,68); //D lcd_chr(1,2,79); //O lcd_chr(1,4,65); //A lcd_chr(1,5,78); //N lcd_chr(1,7,84); //T lcd_chr(1,8,79); //O lcd_chr(1,9,84); //T lcd_chr(1,11,78); //N lcd_chr(1,12,71); //G lcd_chr(1,13,72); //H lcd_chr(1,14,73); //I lcd_chr(1,15,69); //E lcd_chr(1,16,80); //P lcd_chr(1,14,73); //I lcd_chr(1,15,69); //E lcd_chr(1,16,80); //P lcd_chr(2,2,68); //D lcd_chr(2,3,75); //K lcd_chr(2,4,67); //C lcd_chr(2,9,75); //K