Hình 4.8: Kết quả mô phỏng của bộ biến đổi boost
5.2. Mạch điều khiển, nguyên tắc hoạt động.
5.2.1. Ý tưởng thiết kế.
Do năng lượng mặt trời là dạng năng lượng sạch, xanh, miễn phí, và có giá trị sử dụng tốt nhất, rất thân thiện với môi trường.Vì vậy chúng ta đang tìm các công nghệ sử dụng dạng năng lượng này một cách hiệu quả nhất. Đây thực sự là nguồn tài nguyên
Để thiết kế một hệ solar, chúng ta lần lượt thưc hiện các bước sau:
1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp.
Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày.
2. Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày.
Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải.
Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng
3. Tính toán kích cỡ tấm pin mặt trời cần sử dụng
Để tính toán kích cở các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế hính xác, người ta phải khảo sát từng vùng và đưa ra một hệ số gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số phát điện của pin mặt trời. Hệ số "panel generation factor" này là tích số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) trong các tháng ít nắng của vùng, đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).
Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam là khoảng 4.58 kWh/m2/ngày cho nên lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 4.58 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặttrời.
Mỗi PV mà ta sử dụng đều cót hông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng.
Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cần dùng. Càng có nhiều pin mặttrời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không
cần thiết. Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày, ( gọilà autonomy day, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng battery phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặttrời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trongvùng.
4. Tính toán bộ inverter
Đối với hệ solar stand-alone, bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên, như vậy nó phải có công suất bằng 125% công suất tải. Nếu tải là motor thì phải tính toán them công suất để đáp ứng thời gian khởi động của motor.
Chọn inverter có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định của battery.Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta không cần battery, điện áp vào danh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời.
5. Tính toán battery
Battery dùng cho hệ solar là oại deep-cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh.Loại nàycó khả năng nạp xả rất nhiều lần( cónhiều cycle) mà không bị hỏng bent rong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao. Số lượng battery cần dùng cho hệ solar là số lượng battery đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được. Ta tính dung lượng battery như sau:
- Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của battery
=
Kết quả trên cho ta biết dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng. Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho số autonomy-day để có số lượng battery cần cho hệ thống.
Dung lượng battery(Ah)= x số autonomyday
6. Thiết kế solar charge controller
Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có nhiều loại cho nên bạn cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar của bạn.Đối với các hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp battery.
Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của PV.
5.2.1.2. Áp dụng các bước thiết kế tính toán cho hệ thống điện với yêu cầu như sau: -1bóng đèn sử dụng 5h. Sử dụng đèn led, mỗi bóng công suất là 1W.
- 1 quạt động cơ DC sử dụng 5h, công suất 3,8W
1:Xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày = 1 x 5 + 3,8 x 5 = 24Wh/ngày 2:Tính công suất pin mặt trời sủ dụng cho toàn tải mỗi ngày (PV panel) PV panel = 24 x 1.3 = 31,2 Wh/ngày
Chọn loại PV có 5W thì số PV cần dùng là 6,8/5 = 2 tấm 3:Tính toán battery
Dung lượng battery (Ah) = = 3,9Ah
Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/3,5Ah
4:Tính toán bộ điều khiển nạp ắc quy cho hệ thống năng lượng mặt trời (solar charge controller)
Thông số của mỗi PV module: Pm = 5W, Vm = 9 Vdc, Im = 0,56 A, Voc = 11,4A, Isc = 0,63A
Như vậy solar charge controller = (2tấm PV x 0,63 A) x 1.3 = 1,638 A Chọn solar charge controller có dòng 2A/12V hay lớn hơn
5.2.2. Giới thiệu về các linh kiện chính sử dụng trong mạch.
+) IC LM324
LM324 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 4 bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) trong nó.
thuật toán (Op-Amp) thì cần phải có nguồn đôi. Tức là phải có nguồn dương và nguồn âm. Chẳng hạn như Opamp 741.
Tuy nhiên các Opamp trong LM324 được thiết kế đặc biệt để sử dụng với nguồn đơn. Tức là bạn chỉ cần Vcc và GND là đủ.
Một điều đặc biệt nữa là nguồn cung cấp của LM324 có thể hoạt động độc lập với nguồn tín hiệu. Ví dụ nguồn cung cấp của LM324 là 5V nhưng nó có thể làm việc bình thường với nguồn tín hiệu ở ngõ vào V+ và V- là 15V.
Sơ đồ chân của LM324:
Vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạch với IC LM324:
-Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V.
-Áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với nguồn đôi. -Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W
-Điện áp ngõ ra: từ 0 ~ (Vcc - 1,5V).
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink): dòng đẩy tối đa đạt được 20mA.
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu hút dòng (dòng Souce): dòng hút tối đa có thể lên đến 40mA.
-Tần số hoạt động của LM324: 1MHz
-Độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100 dB.
+) IC 7805
Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản. Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp.
Hình 5.4. IC 7805
+ 7805 gồm có 3 chân : 1 : Vin - Chân nguồn đầu vào 2 : GND - Chân nối đất 3 : Vo - chân nguồn đầu ra
7805 là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V
Tùy loại IC 78 mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu - Dòng cực đại có thể duy trì 1A.
- Dòng đỉnh 2.2A.
- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W
điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn. Hoặc có thể dung để chống nhiễu cho các mạch cầu H, ngõ ra PLC, chống nhiễu cho các thiết bị đo lường.
Về nguyên lý hoạt động của nó thì như sau:
+ Khi có dòng nhỏ đi qua 2 đầu của led có trong opto làm cho led phát sáng. Khi led phát sáng làm thong 2 cực của photo diode (hoặc photo transistor) mở cho dòng điện chạy qua.
Thông số kĩ thuật:
+) Transistor C2383
Hình 5.6. Transistor C2383
Transistor C2383 là transistor thuộc loại transistor NPN. C2383 có Uc cực đại = 160V dòng Ic cực đại = 1A
Thứ tự các chân từ trái qua phải: E C B + Cấu tạo của transistor
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối
tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau .
Hình 5.7. Cấu tạo Transistor
Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp.
Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter ) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp ( Collector )viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P )nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.
+) Mosfet IRF 9540
Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Hình 5.8. Mosfes IRF 9540
Ký hiệu trong sơ đồ nguyên lý