Chương 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC CHO PIN MẶT TRỜI
2.5.1 Giới thiệu bộ điều khiển sạc
- Bộ điều khiển sạc là một thiết bị trung gian giữa các tấm pin mặt trời và các bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời. Cụ thể là các nhiệm vụ sau:
39
Bảo vệ bình ắc quy: Khi bình đầy (VD: 13,8V – 14,2V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiển ngăn khơng cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy vì có thể gây sơi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD: 10,7V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình.
Bảo vệ tấm pin mặt trời: Nguyên lý của dòng điện là đi từ nơi điện áp cao đến nơi điện áp thấp. Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy. Nhưng ban đêm khi khơng có ánh nắng điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin, điều này làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để khơng để cho dịng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.
Tăng hiệu suất sạc: Giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời bằng cách điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời.
Hình 2.28: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời [9] 2.5.2 Phân loại bộ điều khiển sạc 2.5.2 Phân loại bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc PWM (Pulse - Width Modulating)
- Các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của ắc quy. Trong quá trình sạc, bộ điều khiển cho phép sạc ắc quy với dòng điện tối đa mà pin mặt trời có thể tạo ra để có thể đạt điện áp ngưỡng đã được cài đặt sẵn.
40
- Khi ắc quy đã sạc được tới điện áp này, bộ sạc sẽ đóng cắt (MOSFET) liên tục bằng xung PWM để giảm điện áp từ pin mặt trời xuống bằng với điện áp ngưỡng của bình.
Hình 2.29: Cấu trúc bộ điều khiển sạc PWM [9]
- Bộ điều khiển sạc xung sẽ hoạt động gần tới điểm công suất cực đại đường cong hoạt động được thể hiện ở hình 2.29.
Hình 2.30: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc PWM [9]
- Ưu điểm:
Giá thành rẻ hơn gấp 2 – 3 lần so với bộ điều khiển sạc MPPT.
Có kích thước nhỏ hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
Tuổi thọ cao hơn do có ít linh kiện điện tử hơn và tỏa nhiệt ít hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
41 - Nhược điểm:
Hiệu suất thấp hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
Yêu cầu điện áp ra của pin mặt trời phải bằng với điện áp định mức của ắc quy.
Bộ điều khiển sạc MPPT (Maximum Power Point Tracker)
- Bộ điều khiển sạc MPPT không kết nối trực tiếp pin mặt trời với bộ lưu trữ. Điện từ pin mặt trời sẽ đi qua một bộ chuyển đổi DC/DC, bộ chuyển đổi này có chức năng giảm bớt điện áp từ pin mặt trời đồng thời tăng dòng điện lên để nạp cho ắc quy.
Hình 2.31: Cấu trúc bộ điều khiển sạc MPPT [9]
- Bộ điều khiển sạc MPPT sử dụng một thuật tốn đáp ứng để bắt điểm cơng suất cực đại của pin mặt trời và điều chỉnh điện áp ra của bộ DC/DC sao cho hiệu suất sạc là cao nhất.
42 - Ưu điểm:
Có hiệu suất sạc bình cao hơn bộ sạc PWM.
Điện áp ra của pin mặt trời và điện áp định mức của ắc quy có thể tùy ý.
Linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống. - Nhược điểm:
Có hiệu suất sạc bình cao hơn bộ sạc PWM.
Điện áp ra của pin mặt trời và điện áp định mức của ắc quy có thể tùy ý.
Linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống.
2.6 Bộ tích trữ năng lượng (Ắc-quy) 2.6.1 Tổng quan
- Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời có một thành phần rất quan trọng đó là bộ tích trữ năng lượng. Vào ban ngày, khi có nắng thích hợp điện năng thu được từ tấm pin sẽ được tích vào bộ tích trữ này vào ban đêm hoặc khi trời mưa khơng có ánh nắng nghĩa là khơng có năng lượng phát ra từ tấm pin năng lượng này được lấy ra cung cấp cho tải tiêu thụ.
- Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời hịa lưới có lưu trữ phổ biến hiện nay thì năng lượng phát ra từ tấm pin chủ yếu được tích trữ vào các bộ ắc quy có dung lượng phù hợp.
2.6.2 Phân loại Ắc quy
- Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là:
Ắc quy sử dụng điện môi bằng Axit gọi tắt là ắc quy Axit (hoặc ắc quy axit-chì) và cũng được chia làm 2 loại chính sau:
• Ắc quy Axit-chì hở (Vented Lead-Acid Batteries). • Ắc quy Axit-chì kín (Valve-Regulated Lead - Acid).
Ắc quy kiềm (Nickel - Cadmium Batteries).
- Tuy có hai loại chính như vậy nhưng ắc quy kiềm có vẻ ít gặp vì giá thành cao hơn nhiều so với ắc quy Axit có cùng các thơng số tương dương như: Điện áp định mức (Nominal voltage), dung lượng Ah (Capacity).
43
- Đa số các ắc quy thông dụng gặp trên thị trường hiện nay là loại ắc quy Axit- chì, cịn ắc quy kiềm đa phần được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp như: Nhà máy điện, nhà máy thép, giàn khoang, trạm điện, trạm viễn thông,... Trong đồ án này chúng em sử dụng ắc quy Axit-chì.
2.6.3 Cấu tạo
- Cấu tạo của ắc quy chì bao gồm 2 bản cực trong đó bản cực dương (+) được làm bằng chì oxit (PbO2) và bản cực âm (-) được làm bằng chì (Pb). Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) lỗng trong đó nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích.
- Trên thực tế, các cực của ắc quy có số lượng nhiều (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn cells. Nhiều tấm cực mắc song song nhau để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn giúp cho q trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dịng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên.
Hình 2.33: Cấu tạo bình ắc quy axit-chì kiểu kín [10]
- Một bình ắc quy kín khí thơng thường sẽ bao gồm các thành phần sau: Vỏ bảo vệ để axit khơng chảy ra ngồi, cọc bình để nối với tải ngồi hoặc nối ghép các bình với nhau, bản cực gồm các bản cực dương và bản cực âm, dung dịch điện phân và tấm chắn nằm giữa các bản cực (hình 2.33).
44
- Nếu là ắc quy axit-chì hở khí thì cấu tạo cũng giống với ắc quy kín nhưng sẽ có thêm nút thơng hơi.
2.6.4 Nguyên lý hoạt động
- Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái hóa học ban đầu (cực dương là PbO2, cực âm là Pb), trong các q trình phóng điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi. Có thể xem về trạng thái hóa học trong các q trình phóng – nạp như hình 2.34.
Hình 2.34: Các trạng thái hoạt động của ắc quy [10]
- Q trình phóng điện: Nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:
Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2
Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 Phản ứng chung gộp lại trong tồn bình là:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
- Q trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO4.
45
- Q trình nạp điện: Do tác dụng của dịng điện nạp mà bên trong ắc quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong tồn bình sẽ là:
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4
- Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu (cực dương là PbO2, cực âm là Pb).
2.7 Bộ chuyển nguồn tự động ATS
Hình 2.35: Thiết bị chuyển nguồn tự động ATS [11]
- Bộ chuyển nguồn tự động ATS (Automatic Transfer Switches) là một thiết bị chuyển đổi giữa 2 nguồn điện theo yêu cầu, chuyển đổi nguồn điện tự động giữa máy phát điện và điện lưới. Khi nguồn điện lưới chính bị mất điện hoặc gặp sự cố ATS sẽ tự động chuyển sang sử dụng nguồn điện dự phòng, máy phát điện và khi nguồn điện chính được phục hồi ATS sẽ chuyển lại sử dụng nguồn điện chính.
2.8 Cơng nghệ IOT 2.8.1 IOT là gì? 2.8.1 IOT là gì?
- IOT viết tắt của Internet of Things, nghĩa là Internet vạn vật, một hệ thống các thiết bị tính tốn, máy móc cơ khí và kỹ thuật số hoặc con người có liên quan với nhau và khả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa con người với máy tính.
46
-
Hình 2.36: Tổng quan IOT (Nguồn Internet) 2.8.2 Cấu trúc 2.8.2 Cấu trúc
- Cấu trúc của IOT có 4 thành phần chính bao gồm: Thiết bị (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng (Network and Cloud), bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers).
- Các u cầu, tiêu chí:
Có kết nối dựa trên sự nhận diện
Khả năng quản lý
Khả năng bảo mật
Dịch vụ thỏa thuận
Khả năng cộng tác
Khả năng tự quản của mạng lưới
Các khả năng dựa vào vị trí
47
2.8.3 Các đặc trưng cơ bản
- Không đồng nhất
- Kết nối liên thông
- Dịch vụ liên quan đến “Things”
- Có quy mơ lớn
- Có thể thay đổi linh hoạt
2.8.4 Ưu và nhược điểm
- Ưu điểm
Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị.
Cải thiện việc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử được kết nối.
Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc.
Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp.
- Nhược điểm
Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị, có thể lấy cắp thơng tin bí mật.
Các doanh nghiệp có thể phải đối phó với số lượng lớn thiết bị IoT và việc thu thập và quản lý dữ liệu từ các thiết bị đó sẽ là một thách thức.
Nếu có lỗi trong hệ thống, có khả năng mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hỏng.
Vì khơng có tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho IoT, rất khó để các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau giao tiếp với nhau.
2.8.5 Vai trò và ứng dụng
- Cung cấp cho các doanh nghiệp cái nhìn chi tiết về mọi thứ.
- Tự động hóa các quy trình, giảm chi phí lao động, giảm chất thải, cải thiện dịch vụ, làm cho việc sản xuất và giao hàng ít tốn kém hơn.
48
Các dịch vụ dành riêng cho ngành như cảm biến trong nhà máy phát điện hoặc thiết bị định vị thời gian thực để chăm sóc sức khỏe.
Các thiết bị IoT được sử dụng trong tất cả các ngành công nghiệp như điều hịa khơng khí thơng minh hoặc hệ thống an ninh.
2.9 Tổng quan về mơ hình trồng rau
- Trong thực tế hiện nay, ở nước ta cũng đang áp dụng, triển khai nhiều loại hệ thống trồng rau khác nhau trong đó nổi bật là 2 loại hình chính sau:
Trong quy mơ cơng nghiệp, diện tích lớn: Loại nhà lưới kín và loại nhà lưới hở
Trong quy mơ hộ gia đình nhỏ lẻ
- Các vùng trồng rau vào mùa hè ruộng hoặc bỏ không, hoặc trồng tạm một vài loại rau màu chờ qua vụ nắng gắt. Lý do là thời gian từ tháng 5 đến tháng 7 nắng gắt và mưa rào. Khi mưa xuống rau màu bị giập lá, nắng lên là héo, thối. Mưa nhiều gây thối rễ, khi nắng lên vì rễ chết khơng hút được nước nên cây bị chết khơ. Để khắc phục tình trạng này nhiều nơi làm nhà màng, nhà lưới để trồng rau. Về nhà màng thì vì nhiều lý do nên các nhà màng ở phía Bắc thường bị q nóng, nên khơng hiệu quả. Về nhà lưới thì phổ biến sử dụng lưới cắt mưa hoặc lưới chắn côn trùng.
49
- Tuy rằng có những ưu điểm khơng thể phủ nhận nhưng các mơ hình ở trên vẫn cịn nhiều điểm hạn chế như:
Trong loại nhà lưới kín sẽ tạo ra mơi trường có nhiệt độ và độ ẩm cao hơn so với bên ngồi từ đó nếu khơng có biện pháp giám sát chặt chẽ sẽ rất dễ bị nấm mốc,…
Trong loại hình nhà lưới hở thì do khơng được che chắn kỹ sẽ rất dễ côn trùng tấn công.
Phương pháp trồng tại gia đình thì có quy mơ và diện tích nhỏ, khó lắp đặt hiệu quả.
Giá thành lắp đặt và đầu tư lớn thường gấp 5 đến 10 lần giá thành của phương pháp canh tác truyền thống.
Năng lượng sử dụng vẫn là bằng điện lưới nên phải tiêu tốn một số tiền nhất định mỗi tháng.
Hệ thống theo dõi, giám sát vẫn là bằng tay người, bằng kinh nghiệm thực tế nên gây khó khăn cho những người khơng có kinh nghiệm về trồng trọt.
- Với những khuyết điểm kể trên, trong đồ án này, nhóm thực hiện đồ án sẽ giữ lại những điểm ưu việt của các phương pháp trên và khắc phục nào những khuyết điểm đang tồn tại như:
Năng lượng sử dụng sẽ là năng lượng sạch từ năng lượng mặt trời.
Giá thành rẻ hơn.
Có cơ chế giám sát, theo dõi thơng qua mạng Internet, từ đó sẽ dễ dàng hơn cho người sử dụng khi ở xa khu vườn.
2.10 Tổng quan phần cứng
2.10.1 Module Wifi ESP8266
- Module ESP8266 là module wifi giá rẻ và được đánh giá rất cao cho các ứng dụng liên quan đến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng truyền sử dụng thay thế cho các module khác.
50
- ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of things (IOT). Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wifi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng Wifi từ một bộ xử lý ứng dụng.
- ESP8266 có xử lý và khả năng lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác.
Hình 2.38: NodeMCU ESP8266 [18]
- Các tính năng chính:
Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n không dây.
Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.
Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client và Access Point.
Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK.
Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP.
Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con.
LED chỉ báo truyền nhận TX/RX. - Thông số kỹ thuật:
NodeMCU có cổng USB-TTL với IC CH340G hoạt động ổn định với chuẩn công nghiệp.
51
Phiên bản firmware: NodeMCU Lua
Chip nạp và giao tiếp UART: CH340
GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU.
Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino.