Kết luận
Giải pháp triển khai nhanh thiết bị ERT với sự chủ động trong việc chế tạo phần cứng, phần mềm thu thập và xử lý số liệu đã đem lại hiệu quả rõ rệt, điều đó thể hiện qua việc so sánh kết quả với thiết bị thương mại SuperSting R1 của AGI,
USA. Về thông số kỹ thuật, thiết bị thử nghiệm có khả năng đotồn dạng sóng, sử dụng các module chuẩn cơng nghiệp phù hợp với cho các thí nghiệm hiện trường, sử dụng ngay máy tính hiện trường để điều khiển, thu thập dữ liệu và tái tạo hình ảnh 2D, thậm chí 3D. Với năng lượng tiêu thụ thấp, thiết bị có khả năng quan trắc dài ngày. Chi phí triển khai chế tạo thử nghiệm thấp, chỉ dưới 1500$, thấp hơn nhiều so với các sản phầm thương mại. Hệ thống ERT này sẽ mở ra một cách hiệu quả để phát triển nhanh các cơng cụ thăm dị và quan trắc ERT hiện trường cho nhiều mục đích như giám sát mơi trường hoặc nơng nghiệp chính xác.
Bảng 3.2. Bảng các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ
Nguồn phát Thiết bị thu
Độ phân giải 0.05 mA 0.005 mV-0.3 mV
Dải đo ±183 mA ±150 m-10 V
Giá trị cực đại ±100 mA 200 Vdc
Sai số hệ thống ±0.085 mA 0.07 mV-0.05 V
Trở nội, trở kháng lối vào 0.82 Ω 20 MΩ
Bảo vệ cách ly 3000 Vdc 3000 Vdc
Độ trôi nhiệt 0.8 A/o
C 6 V/o
C
Tốc độ lấy mẫu max 10 sps 10 sps
Số điện cực 24 2
3.2. Giải pháp nguồn năng lƣợng mặt trời cho thiết bị quan trắc địa điện Đặt vấn đề
3.2.1.
Các thiết bị ERT nói riêng và thiết bị đo, quan trắc nói chung hiện nay đang được sử dụng phổ biến nhằm mục đích thu thập các dữ liệu vật lý liên quan, từ đó phục vụ giải quyết các bài tốn từ vi mơ như nơng nghiệp, mơi trường cục bộ hay bài tốn vĩ mơ như dự báo thời tiết, động đất, xâm nhập mặn hay nhu cầu dữ liệu cho trí tuệ nhân tạo (AI - Artificial Intelligence). Các thiết bị đo có tác nhân kích thích là những thiết bị đo và quan trắc tín hiệu phản hồi từ một nguồn kích thích từ bản thân đối tương đo (bị động) hoặc từ thiết bị phát ra (kích thích chủ động). Ví dụ kích thích bị động như đo một đại lượng vật lý nào đó: nhiệt độ, độ ẩm… tín hiệu đo được sinh
ra từ bản thân đối tượng đo. Cịn với kích thích chủ động: như trường hợp rada phát tín hiệu tới mục tiêu và nhận tín hiệu phản hồi, hoặc đo đáp ứng tần số, hay với ví dụ minh họa trong bản mô tả này là thiết bị khảo sát ERT địa điện, sử dụng nguồn phát tín hiệu kích thích xuống bề mặt trái đất, bộ phận thu sẽ tiếp nhận tín hiệu phản hồi qua đó ta biết được thơng tin về đối tượng cần khảo sát (trong lòng đất).
Đặc điểm cơ bản của thiết bị có nguồn kích thích chủ động khác với thiết bị đo thơng thường là cần phải có một nguồn năng lượng để phát tín hiệu kích thích. Cơng suất của nguồn này phải đủ lớn để tín hiệu thu được có tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao, qua đó cho thơng tin chính xác về đối tượng cần đo, đặc biệt là với các quan trắc mơi trường có phạm vi, kích thước của đối tượng lớn như trong các ứng dụng liên quan đến môi trường đất. Ngoài ra, các quan trắc loại này thường phải hoạt động dài ngày, trong môi trường khắc nghiệt... Một đặc điểm khác là thiết bị ERT hiện trường không cần đo liên tục trong thời gian thực bởi sự thay đổi tính chất của đối tượng hầu như ko đổi trong khoảng thời gian hàng giờ, thậm chí hàng tháng hoặc có thể chỉ cần đo, quan trắc bất kỳ thời gian nào trong ngày.
Hiện nay, các thiết bị quan trắc như vậy thường dùng nguồn điện được cung cấp từ mạng điện lưới, hoặc điện mặt trời có bộ phận lưu điện sử dụng các ắc quy điện hóa, hay siêu tụ điện có dung lượng rất lớn. Tuy nhiên, những thiết bị cung cấp điện như vậy tồn tại những hạn chế như sau:
+ Sử dụng điện lưới không phù hợp với những vùng chưa có điện lưới.
+ Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời sẵn có đã và đang là một lựa chọn phù hợp nhưng lại phụ thuộc nhiều vào thiết bị lưu trữ hiện nay là các loại ắc quy điện hóa có độ bền và tuổi thọ không cao, đặc biệt khả năng gây ô nhiễm môi trường sau khi hết hạn sử dụng là rất lớn. Ngồi ra các ắc-quy điện hóa cịn có nhược điểm là khối lượng nặng, thời gian phóng-nạp điện chậm tùy theo dung lượng.
+ Các siêu tụ điện có điện áp chịu đựng và dung lượng lưu trữ thấp, muốn tăng dung lượng thì giá thành lại rất đắt và hiện mới đang chỉ phổ biến ở những thiết bị nguồn có cơng suất thấp hoặc rất thấp. Việc sử dụng siêu tụ cho mục đích trên với các thiết bị kích thích chủ động có cơng suất trung bình (vài chục đến vài trăm Watts) như thiết bị quan trắc địa điện hiện nay dường như bất khả thi với thiết
bị quan trắc thông thường khi năng lượng mặt trời không đủ lớn (mùa đông, bị mây che phủ). Tuy nhiên, ưu điểm chính của siêu tụ điện là khả năng phóng - nạp nhanh, và nhược điểm tương ứng là việc sử dụng hết 100% dung lượng là không thực hiện được do hiệu điện thế trên tụ bị giảm theo mức năng lượng lưu trữ.
+ Thông thường khi lưu trữ năng lượng mặt trời, người ta luôn muốn thu nhận và lưu trữ càng nhiều càng tốt. Do đó, khi muốn lưu trữ càng nhiều thì thiết bị sẽ càng cồng kềnh và tăng chi phí. Sau khi năng lượng đã được nạp đầy vào bộ phận lưu trữ, năng lượng mặt trời tiếp đó sẽ bị bỏ phí, điều này làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng.
Các thiết bị khảo sát địa điện hiện nay chưa có nguồn điện linh hoạt kết hợp giữa pin mặt trời và siêu tụ theo hình thức quản lý nguồn điện thông minh và tối ưu năng lượng. Nguồn nuôi cho các thiết bị này vẫn hoạt động độc lập, chưa được điều khiển từ các thông tin của các tham số cần khảo sát mà chỉ đo và cảnh báo hoặc tự động dừng hoạt động khi nguồn điện yếu hoặc q áp do đó khơng phù hợp với nguồn năng lượng mặt trời dùng bộ phận lưu trữ là siêu tụ điện.
Giải pháp ứng dụng được đề xuất ở đây là kết hợp nguồn năng lượng mặt trời và siêu tụ điện để tạo thành nguồn điện cho các thiết bị quan trắc có kích thích chủ động cơng suất trung bình với khả năng tối ưu hóa nguồn năng lượng. Bộ nguồn điện này sẽ khắc phục được những nhược điểm trên để phù hợp với mục đích sử dụng trong các thiết bị đo và quan trắc có kích thích chủ động. Với đề xuất khái niệm mới: tỷ số thông tin - năng lượng (IER - Informatic Energy Ratio) để đánh giá mức độ hiệu quả của thiết bị thu thập, quan trắc dữ liệu dài ngày, bộ nguồn này có khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời trong việc thu thập thông tin tối đa với IER cao bởi những ưu điểm như: nạp nhanh, lượng năng lượng lưu trữ đủ dùng với thiết bị ERT quan sát lớp nông (năng lượng ko quá nhiều) hoặc khơng tiêu thụ dịng lớn liên tục.
Bộ nguồn hoạt động theo các nguyên lý sau:
+ Tiếp nhận thông tin về nhu cầu năng lượng cần dùng cho một điểm đo, điểm lấy mẫu dữ liệu. Tính tốn mức năng lượng tối thiểu theo hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
+ Thu nhận năng lượng mặt trời liên tục thông qua bộ chuyển đổi dùng thuật toán MPPT - Maximum Power Point Tracking, hoặc PWM - Pulse Width Modulation đến khi đạt mức năng lượng dùng tối thiểu và phát tín hiệu kích hoạt đến thiết bị đo. Năng lượng điện được lưu trữ liên tục trong siêu tụ điện ở mức điện áp từ 20-95% dung lượng cực đại mà siêu tụ có thể lưu trữ được. Điện dung của bộ siêu tụ được chọn tùy theo mức công suất tiêu thụ tương ứng với một điểm lấy mẫu dữ liệu, do đó giảm được kích thước và giá thành.
+ Mạch điện chuyển đổi Step-Up DC-DC (mạch chuyển đổi dịng điện một chiều) có khả năng hoạt động với nguồn điện lối vào thấp, chỉ từ 2 V, qua đó có thể dùng được năng lượng chứa trong siêu tụ đến khi còn 30% dung lượng.
+ Trong quá trình thiết bị đo, quan trắc thu thập thông tin, năng lượng mặt trời vẫn luôn được lưu trữ. Thuật toán điều khiển sẽ vẫn luôn thực hiện để tối ưu hóa hiệu suất và bảo đảm tỷ số IER cao.
Giải pháp nguồn điện dùng năng lƣợng mặt trời 3.2.2.
Bộ nguồn cấp điện thông minh, tối ưu hóa năng lượng mặt trời (hình 3.11) bao gồm: lối vào 1 cho điện mặt trời được cung cấp bởi các tấm pin năng lượng mặt trời với công suất tùy theo nhu cầu sử dụng. Tiếp đó là mạch bảo vệ quá áp và các quá trình quá độ 2 dùng các đi-ốt ổn áp hai chiều TVS (Transient Voltage Suppression), qua đường dẫn 3 đến mạch nạp tụ theo thuật toán MPPT hoặc PWM 4. Trước khi nạp điện cho siêu tụ 11, dòng điện sau bộ nạp 4 qua đường dẫn 5 tới bộ giới hạn dòng 6 và giới hạn thế 7 để bảo vệ cho mạch nạp và siêu tụ điện.