4.1 Sơ đồ khối hệ thống
4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời Chức năng của các khối: Chức năng của các khối:
- Khối điều khiển sạc: Có chức năng điều khiển điện áp từ pin mặt trời để sạc cho bình ắc quy, bảo vệ ắc quy khi điện áp ắc quy xuống thấp. - Khối lưu trữ: Có chức năng phòng trường hợp mất điện từ pin mặt trời
và điện lưới để cấp điện cho tải hoạt động bình thường.
- Khối bộ chuyển đổi Inverter: Giúp chuyển đổi đầu ra dòng điện một chiều của tấm pin năng lượng mặt trời thành dòng điện xoay chiều. Dòng điện AC lúc này cung cấp cho tải.
69
- Khối hòa lưới: Bao gồm cơng tơ điện 2 chiều và lưới điện. Có chức năng hịa điện mặt trời khi không sử dụng hết ra lưới điện hoặc cấp điện lưới vào hệ thống khi cần. Ghi nhận sản lượng điện năng lượng mặt trời bán lên lưới.
- Khối xử lý (Bao gồm ESP8266 và PZEM-004T):
PZEM-004T có chức năng đọc các thơng số điện năng đo được từ hệ thống điện.
ESP8266 thu thập dữ liệu từ PZEM-004T và gửi lên app Blynk. - Khối hệ thống giám sát: Có chức năng hiển thị các thơng số điện năng
lên app Blynk trên smartphone. Giúp người sử dụng theo dõi sản lượng của pin mặt trời, tải tiêu thụ, sản lượng mua vào và bán ra của hệ thống.
4.1.2 Sơ đồ khối hệ thống vườn rau
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống vườn rau Chức năng của các khối: Chức năng của các khối:
- Khối nguồn: Được lấy từ điện mặt trời, cấp nguồn cho khối xử lý và tải hoạt động.
- Khối cảm biến: Gồm cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Mỗi cảm biến thu thập tín hiệu và đưa tín hiệu về khối xử lý.
70
- Khối xử lý: ESP8266 có các chức năng sau
Tiếp nhận các tín hiệu mà khối cảm biến gửi lên.
Xử lý tín hiệu, đưa các thơng số đo được từ khối cảm biến lên hệ thống giám sát.
Nhận tín hiệu điều khiển thiết bị từ app Blynk.
Xuất tín hiệu cho khối điều khiển để điều khiển các thiết bị.
- Khối điều khiển: Có chức năng nhận tín hiệu từ khối xử lý để điều khiển hoạt động cho các thiết bị.
- Khối hệ thống giám sát: Nhận tín hiệu từ khối xử lý và hiển thị các thông số đo được từ các cảm biến lên app Blynk trên smartphone. Ngồi ra cịn gửi lệnh điều khiển các thiết bị xuống khối điều khiển thông qua khối xử lý.
4.2 Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời 4.2.1 Tính tốn thiết kế hệ thống điện 4.2.1 Tính tốn thiết kế hệ thống điện
Tính tốn lựa chọn pin mặt trời:
- Hệ thống sử dụng tải là 1 bóng đèn và 1 động cơ bơm với cơng suất 5W cho bóng đèn, 3W cho động cơ bơm và thời gian sử dụng trung bình là 6h/ngày nên:
Ptải.h = (5+3).6 = 48 Wh/ngày
- Dựa vào hình 2.2 ta chọn hệ số hấp thụ bức xạ của pin mặt trời bằng 5,0 để tính chọn cơng suất Wp của pin mặt trời:
Ppv = 1,3.Ptải.h
5 = 1,3.9,6 = 12,48 W
- Vậy ta chọn được tấm pin mặt trời đơn tinh thể có cơng suất 20W với các thông số kỹ thuật như bảng 4.1.
71
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời SC20-18MD PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MONO 20W PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MONO 20W
Công suất tấm pin NL mặt trời Pmax 20 W
Điện áp hở mạch Voc 22,54 V
Dòng ngắn mạch Isc 1,2 A
Điện áp danh định Vmp 17,82 V
Dòng danh định Imp 1,12 A
Hiệu suất quang năng mô-đun % 16,76
Chuẩn loại Pin (cell) - Pin Silic đơn tinh thể (monocrystalline)
Cấu tạo tấm pin mặt trời - Kính-EVA-Cell-EVA-TPT & Khung nhơm
Số lượng cell nCell 36
Chất lượng sản phẩm IEC 61215, IEC 61730, TUV Nhiệt độ hoạt động Tpv - 40OC ~ 80OC
Kích thước mm 770*668*35 (có thể thay đổi)
Trọng lượng Kg 2,3
Tuổi thọ sản phẩm - Từ 30 năm đến 50 năm
Xuất xứ - CTy Quốc Tế Đơng Dương –
Solarcity.vn
Tính tốn lựa chọn bộ điều khiển sạc:
- Trong đồ án này ta sử dụng bộ điều khiển sạc PWM để sạc cho bình ắc quy và cấp điện 12V cho bộ inverter.
- Do công suất pin và tải nhỏ nên ta chọn bộ điều khiển sạc LMS2410 với các thông số như bảng 4.2.
72
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của bộ sạc pin mặt trời LMS2410
Bộ điều khiển sạc pin mặt trời LMS2410
Dòng điện định mức 10 A
Điện áp định mức 12/24 A
Điện áp hở mạch của pin mặt trời 40 V
Điện áp sạc float 13,8 V
Điện áp ngắt sạc 10,7 V
Điện áp sạc lại 12,5 V
Dịng khơng tải <30 mA
Tính tốn lựa chọn inverter:
- Để thiết bị hoạt động hiệu quả và tuổi thọ lâu dài thì ta nên sử dụng bộ inverter có cơng suất khoảng 200% tổng cơng suất thực sử dụng. Vì tải sử dụng là máy bơm nước thuộc tải thuần cảm (Tải này chủ yếu hoạt động dựa vào tác dụng từ của dòng điện sinh ra).
- Ta có cơng suất tải tiêu thụ trung bình mỗi ngày là Ptải.h = 48 Wh/ngày nên ta chọn inverter (gấp 2 lần cơng suất thực) 12V 100W là hợp lí. Tính tốn lựa chọn ắc quy:
- Ta có Ptải = 8 W, thời gian sử dụng tải trung bình ta chọn T = 6h. Hiệu suất của ắc quy ta chọn bằng 85%. Ta áp dụng cơng thức để tính dung lượng ắc quy:
Dung lượng acquy (Ah) = 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑊ℎ 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑚ỗ𝑖 𝑛𝑔à𝑦 𝐻𝑖ệ𝑢 𝑠𝑢ấ𝑡 𝐴𝑐𝑞𝑢𝑦 ∗ Đ𝑖ệ𝑛 á𝑝 𝐴𝑐𝑞𝑢𝑦 = 8.6
0.85.12.6= 4,48 Ah
73
Bảng 4.3: Bảng khối lượng điện
Mô tả thiết bị Đơn vị Số lượng
Tủ điện L3 - DB1 Tủ 1 CB bảo vệ Cái 1 Cầu chì Cái 1 Thiết bị chống sét AC Cái 1 Thiết bị chống sét DC Cái 1 Đèn Cái 1
Động cơ bơm Cái 1
Dây điện m 5
4.2.2 Thiết kế mạch đo điện năng
Hình 4.3: Sơ đồ kết nối phần cứng
- Để đấu nối mạch đo sản lượng điện mua vào và bán ra của hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới có lưu trữ thì cần phải có các thiết bị sau:
Pin năng lượng mặt trời
Bộ điều khiển sạc
74
Bộ inverter hòa lưới
Công tơ điện 2 chiều (Điện lực)
Tải tiêu thụ
ESP8266
PZEM-004T
- Để tính tốn được sản lượng điện mua vào và bán ra thì ta sẽ tiến hành đo sản lượng điện sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời và sản lượng tải tiêu thụ.
- Ở đây ta sử dụng ESP8266 để cấp nguồn cho 2 con PZEM-004T và đọc giá trị đo được từ 2 con cảm biến đó. Bản thân 2 con PZEM-004T sẽ đo đạt những giá trị, những thông số từ hệ thống và lưu vào bộ nhớ của nó.
- Cách tính sản lượng điện mua vào và bán ra:
Nếu: Công suất solar > Cơng suất tải
Thì:
Sản lượng bán = Sản lượng solar – (Sản lượng tiêu thụ + Sản lượng lưu trữ)
Nếu: Công suất solar < Cơng suất tải
Thì:
75
4.2.3 Thiết kế tủ điện
Hình 4.4: Mặt trước và mặt bên cạnh của tủ điện trên AutoCad
- Bản thiết kế mặt ngoài của tủ được vẽ trên phần mềm AutoCAD gồm có mặt trước của tủ điện và mặt cạnh của tủ điện như hình 4.4.
76
Hình 4.5: Các thiết bị bên trong tủ điện
- Bản thiết kế tủ điện trên phần mềm AutoCAD bao gồm các thiết bị sau:
Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: CB, chống sét lan truyền DC, AC
Thiết bị điều khiển sạc
Thiết bị đo sản lượng điện năng: ESP8266, PZEM-004T
Thiết bị điều khiển vườn rau: ESP8266, module relay
Bộ chuyển nguồn tự động ATS
Inverter
Bộ lưu trữ điện
77
4.3 Thiết kế vườn rau 4.3.1 Thiết kế mơ hình 4.3.1 Thiết kế mơ hình
- Các bản vẽ kiến trúc của mơ hình vườn rau được vẽ trên phần mềm AutoCAD:
Hình 4.6: Bản vẽ kiến trúc
78
Hình 4.8: Mặt bằng kiến trúc mặt cắt trục A – B
79
Hình 4.10: Mặt bằng mái lắp đặt tấm pin
- Chọn góc đặt tấm pin:
Nên lắp đặt các tấm pin nằm nghiêng.
Tùy vào từng thời điểm và từng vùng khác nhau mà ta điều chỉnh đặt góc hướng về mặt trời để thu được năng lượng nhiều nhất.
4.3.2 Thiết kế hệ thống vườn rau
80
- Để giám sát và điều khiển thiết bị trong vườn rau khi ở xa thì cần phải có các thiết bị sau:
Nguồn từ điện mặt trời
ESP8266
Động cơ bơm
Module relay
DHT11
Cảm biến độ ẩm đất
- Để điều khiển được bơm tự động cho vườn rau thì ta sẽ tiến hành cấp nguồn cho hệ thống (nguồn được lấy từ hệ thống điện mặt trời), sau đó tín hiệu được các cảm biến đo được từ môi trường sẽ truyền tới vi xử lý ESP8266. Nhiệm vụ của ESP8266 là xử lý các tín hiệu nhận từ các cảm biến gửi lên app Blynk trên smartphone đã kết nối với ESP8266 qua wifi. Trên giao diện Blynk sẽ hiển thị các thông số đo được như độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí mà ta đã lập trình. Lúc này ta có thể giám sát được hệ thống từ xa và điều khiển bơm tự động cho vườn rau.
4.4 Danh sách thiết bị sử dụng
81
4.5 Chống sét cho hệ thống
- Chọn phương pháp chống sét đánh thẳng bằng công nghệ phát tia tiên đạo sớm.
Hình 4.12: Phương pháp chống sét [16]
- Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:
Đầu thu lôi: Dùng để phát tia tiên đạo đi lên thu hút sét về nó. Đầu thu lơi được gắn trên trụ đỡ có độ cao trung bình là 5 mét so với đỉnh của cơng trình cần được bảo vệ.
Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dịng sét từ đầu thu lơi đến hệ thống tiếp đất. Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế (NFC 17 102 của Pháp) từ 50mm2 đến 75mm2.
Hệ thống tiếp đất: Dùng để tản dịng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:
• Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường là 14 – 16mm. Được chơn thẳng đứng và cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét . Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét.
82
• Dây tiếp đất: thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau. Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét.
• Ốc siết cáp hoặc mối hàn hóa nhiệt cadweld: Dùng để liên kết dây tiếp đất và các cọc tiếp đất với nhau.
- Để tăng cường hiệu quả chống sét cho hệ thống mái nhà, ngoài các biện pháp chống sét thông thường, cần lưu ý những điểm sau:
Nếu hệ thống có cơng suất lớn hoặc nằm trong khu vực có nhiều tia sét thì cần lắp thêm cột thu lơi bên cạnh hệ thống khay năng lượng mặt trời.
Nếu có các thiết bị kim loại khác trên mái nhà, mặt DC của hệ thống phải được cách các thiết bị này càng xa càng tốt. Đảm bảo hệ thống không tiếp xúc với thiết bị này trong quá trình lắp đặt. Cũng nên lắp đặt một cột thu lôi trên mái nhà.
Giảm diện tích tiết diện dây cáp của hệ thống chung để giảm cường độ của sét đánh.
Nên thực hiện giải pháp chống sét riêng cho hệ thống và không nên kết nối đơn giản với hệ thống chống sét ban đầu của tòa nhà.
4.6 Kết luận chương 4
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, chúng em cũng rút ra được một số bài học và cách thức thực hiện, mô phỏng đồ án:
- Lên ý tưởng mơ hình mơ phỏng, từ đó đưa ra được các bản thiết kế hỗ trợ cho việc thi cơng, tính tốn chọn thiết bị phù hợp.
- Tìm hiểu thơng tin thiết bị các datasheet, cách thiết lập app, mô phỏng ESP8266
- Sau khi thiết kế, cần kiểm tra lại và cải thiện các khuyết điểm hoặc các mặt chưa thực sự hoạt động như mong muốn.
83
Chương 5: THI CÔNG MƠ HÌNH
5.1 Lưu đồ giải thuật
5.1.1 Lưu đồ giám sát sản lượng điện
Hình 5.1: Lưu đồ chương trình giám sát sản lượng điện
- Chương trình giám sát sản lượng điện có chức năng giám sát sản lượng điện mua vào và bán ra của hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới có lưu trữ. Đầu tiên ta phải mở giao diện trên app Blynk của smartphone. Sau đó ta cài đặt các thông số điện năng sao cho hiển thị đầy đủ các thông số cần thiết.
84
- Sau khi cài đặt thông số hiển thị xong ta tiến hành lấy token để xác định cấu hình cho ESP8266 của mạch đo sản lượng điện và cài đặt hoàn tất trên Blynk.
- Tiếp theo ta kết nối wifi và kiểm tra các thông số đo được từ cảm biến. Nếu hiển thị đầy đủ các thông số trên giao diện đo được từ module PZEM-004T thì xong quá trình hoạt động. Nếu khơng hiển thị hoặc hiển thị không đầy đủ thông số trên giao diện hoặc phát sinh lỗi thì ta phải quay lại bước cài đặt thông số để tiến hành chỉnh sửa và cài đặt lại từ đầu. Cứ như thế ta thực hiện các bước cho đến khi chương trình hoạt động tốt.
5.1.2 Lưu đồ giám sát và điều khiển vườn rau
85
- Chương trình giám sát và điều khiển vườn rau một cách tự động và từ xa. Nó hoạt động giám sát các thông số đo được từ cảm biến đặt ngoài vườn rau, điều khiển bơm tự động từ xa.
- Trước tiên phải khởi chạy giao diện để hiển thị thông số đo được và cả điều khiển bật tắt bơm tự động trên app Blynk của smartphone. Sau đó ta tiến hành cài đặt thông số cảm biến.
- Tiếp đến ta lấy token để xác định cấu hình cho con vi xử lý ESP8266 và cài đặt hoàn tất trên app. Bước tiếp theo kết nối với hệ thống vườn rau thông qua wifi và kiểm tra hiển thị các thông số đo được từ cảm biến.
- Nếu giao diện hiển thị các thơng số đo được từ cảm biến và gửi tín hiệu điều khiển bật tắt bơm thành cơng thì chương trình hoạt động tốt, hồn tất. Nếu giao diện không hiển thị được hoặc thiếu, điều khiển bơm có vấn đề (khơng điều khiển bật tắt được) thì ta tiến hành cài đặt lại thơng số cho đến lúc giao diện Blynk hiển thị đầy đủ và điều khiển được thì kết thúc.
5.2 Lập trình vi điều khiển 5.2.1 Giới thiệu 5.2.1 Giới thiệu
Để bắt đầu với những dự án IOT với Arduino ta cần ESP8266 với giá thành rẻ, và dễ dàng sử dụng. Đặc biệt, ESP8266 có thể được lập trình bằng Arduino IDE.
5.2.2 Chuẩn bị
- Phần cứng: Module ESP8266, các thiết bị kết nối khác - Phần mềm:
Cài đặt Arduino IDE (Integrated Development Environment có thể gọi là bộ cơng cụ lập trình)
Cài đặt thư viện CH340 của ESP8266 cho Arduino IDE
Kết nối ESP8266 với máy tính, đảm bảo đèn LED trên ESP8266 sáng.
86
5.2.3 Tiến hành
- Đầu tiên ta mở phần mềm Arduino IDE lên.
Hình 5.3: Giao diện màn hình chính của Arduino IDE
- Sau đó ta tiến hành cài đặt cho Arduino IDE: