Dọc 1,5m 1m 0m 1m 1,5m 2,4 m 3,14 7,21 8,45 7,57 4,72 2m 5,43 9,48 10,55 9,97 5,31 1m 7,89 12,05 13,32 12,32 7,80 0m 10,25 13,17 16,32 13,43 10,78 1m 7,34 12,22 13,39 12,37 7,19 2m 5.21 9,52 10,81 9,52 5,79 2,4m 3,16 7,19 8,53 6,92 3,77 Ngang Dọc 1,5m 1m 0m 1m 1,5m 2,4 m 3,02 7,17 9,01 7,62 3,41 2m 4,37 9,79 11,72 10,01 4,32 1m 6,23 12,86 13,89 12,68 6,95 0m 10,32 13,81 16,76 14,76 10,32 1m 7,57 12,96 11,03 12,09 7,04 2m 4,12 9,42 13,71 9,75 4,74 2,4m 3,79 6,33 8,79 6,59 3,96
Bảng 5.3: Độ rọi của led (5W) trên sàn nhà (đơn vị đo lx)
2.4. Kết luận
Qua thực tế việc thay thế led trong chiếu sáng tại hộ gia đình mang lại nhiều hiệu quả: Vừa an toàn cho người sử dụng lại tiết kiệm điện hơn, hiệu suất đèn led lại cao hơn bóng huỳnh quang. Vì vậy việc thay thế chiếu sáng bằng led tại các hộ gia đình với nhu cầu về kinh tế là hoàn toàn hợp lý.
3. NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT TẤM PIN QUA CÁC HƯỚNG
Như chúng ta thường thấy, pin mặt trời được lắp đặt cố định vào một tấm đế, do đó hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm pin. Ngoài thời điểm này hiệu suất của tấm pin sẽ giảm.
Chính vì vậy, để khảo sát hiệu suất của tấm pin mặt trời nhằm tạo tiền đề cho việc nghiên cứu hệ thống định hướng pin mặt trời sau này, Tôi đã tiến hành xoay tấm pin mặt trời theo mỗi hướng và tại các thời điểm khác nhau để điều tra hiệu suất của tấm pin theo các hướng để làm tiền đề cho bộ định hướng pin mặt trời sau này.
Hướng Thời gian (h) Điện áp vào UV (V) (chưa nối acquy) Dòng điện vào IV (A) Điện áp sụt (khi nối sạc vào acquy) US (V) Dòng điện nạp vào acquy IN (A) Bắc 9 18,5 9 16,5 3 12 19 4 18 4 14 19 3,5 14 3 16 18 1 13,4 1 Đông 9 18,5 10 16,5 3 12 19,5 11,5 18 3,5
Hình 5.6: So sánh hiệu suất của 1 hệ thống pin mặt trời gắn cố định và hệ thống pin mặt trời được điều khiển
14 18 2,5 13,8 2 16 17,5 1 13 0,8 Nam 9 18,5 12,5 16 4 12 19 13 17,5 6 14 18,5 3,5 14 1,5 16 18 3 13 0,5 Tây 9 17 6,5 16,5 3,5 12 18 10 17 3,5 14 19 5 13,5 1,8 16 18,5 3 13 1
Bảng 5.5: Giá trị U, I của tấm pin theo các hướng
Qua Bảng 5.5 trên có thể thấy rằng ở mỗi hướng tại mỗi thời khoảng thời gian khác nhau hiệu suất tấm pin mặt trời luôn khác nhau. Vì thế, để tận dụng hết hiệu suất của pin mặt trời cần có một hệ thống điều khiển để luôn xác định hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ
CHƯƠNG 6
CÁC BỘ PHẬN VÀ CHỨC NĂNG CỦA MÁY CUNG CẤP ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ THIẾT KẾ
(AUTO SOLAR POWER) 1. SƠ ĐỒ KHỐI MÁY AUTO SOLAR POWER
Bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vai trò giám sát và điều khiển mọi công việc, bộ thi hành điều khiển tải sẽ là nơi thi hành lệnh của bộ điều khiển trung tâm gửi xuống là cho tải sử dụng điện từ ACU hay PIN. Các bộ đọc điện áp ACU và SOLAR sẽ gửi tín hiện điện áp về cho bộ điều khiển trung tâm để nó hiển thị ra LCD, đồng
Nguồn ắc – quy (ACU) Nguồn SOLAR Bộ điều khiển trung tâm Bộ cung cấp điện áp DC 12V/9V/6/V/5V Bộ cung cấp điện áp AC~220V/50Hz Bộ đọc điện áp
ACU Bộ đọc điện áp SOLAR
Bộ thi hành điều khiển tải LCD Bộ điều khiển sạc/ngắt tay Ổn áp 12V (SOLAR) Ổn áp 5V (ACU)
bộ điều khiển trung tâm quyết địn sạc hay ngắt sạc. Tất cả nguồn nuôi cho các khối đều được cấp từ bộ thi hành điều khiển tải.
2. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
2.1. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm
2.2. Chức năng của bộ điều khiển trung tâm
Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò là bộ não để điều khiển mọi hoạt động của máy cung cấp điện năng lượng mặt trời (Auto Solar Power) nó làm nhiệm vụ: đọc và hiển thị điện áp ACU và PIN ra màn hình LCD, điều khiển sạc và ngắt ACU một cách tự động để bảo vệ ACU; điều khiển tải, nó sẽ quyết định khi nào tải được phép sử dụng nguồn ACU và khi nào được phép sử dụng nguồn từ PIN trực tiếp.
Bộ điều khiển trung tâm gồm: Chip Atmega16 (U1) đang chạy chương trình do người thiết kế viết, Led D2 báo chương trình đang hoạt động, nguồn được lấy từ 7805 (U2), và các linh kiện phụ trợ khác.
2.3. Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển trung tâm
3. BỘ PHÂN ÁP CHO ADC CỦA ATMEGA16 3.1. Sơ đồ nguyên lý
Hình 6.3. Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển trung tâm
3.2. Chức năng của mạch phân áp
Trong thực tế thì bộ phân áp có 2 bộ, một để phân áp cho ACU, một để phân áp cho PIN. Lý do tại sao lại có bộ phân áp này là vì điện áp vào bộ ADC của chip Atmega16 tối đa là 5V, mà điện áp của của ACU và Pin đều trên ngưỡng 5V. Mạch phân áp có chức năng tương tự biến áp hay biến dòng là hạ điện áp cao xuống điện áp mong muốn để có thể đo được, tỉ lệ của bộ phân áp đang được sử dụng này là 1:4, nghĩa là ta sẽ có đươc 5V vào ADC chip khi ở đầu vào là 20V.
Bộ phân áp bao gồm biến trở (RV1) dùng để chỉnh tỉ lệ phân áp, R4 kết hợp với RV1 để phân áp, R3 là điện trở nền, tụ C2 lọc nhiễu, Jack3 là nơi điện áp vào của ACU hoặc PIN, J2 là đầu ra được đưa vào ADC của chip.
3.3. Hình ảnh thực tế của bộ phân áp
4. KHỐI THI HÀNH SẠC VÀ NGẮT
4.1. Sơ đồ nguyên lý của khối thi hành sạc và ngắt
4.2. Chức năng của khối thi hành sạc và ngắt
Khối này có nhiện vụ giống như một công tắc hay một cái van để đóng mở dòng nạp từ PIN vào ACU. Nó bao gồm: Mosfet IRF540N đảm nhiệm làm van, 2 IRF540N này làm việc song song để đảm bảo dòng nạp là lớn nhất, nhằm khai thác tối đa công suất của PIN (có thể chuyển tải 60A), Jack1 là đầu vào từ PIN, Jack2 được kết nối vào ACU và các linh kiện phụ trợ khác trong quá trình kích nạp.
4.3. Hình ảnh thực tế của khối thi hành sạc và ngắt
5. LCD HIỂN THỊ ĐIỆN ÁP
Hình 6.7. Hình ảnh thực tế khối thi hành sạc và ngắt
Trên LCD được hiển thị tình trạng ACU đang được sạc hay ngắt; nếu đang được sạc sẽ có dòng chữ “Charging... (V)”, nếu đã đầy thì sẽ có dòng chữ “ACU FULL !...”. Ở bên dưới là thông tin điện áp hiện tại của ACU và PIN: A: 11.92 là điện áp ACU, S:16.04 là điện áp hiện tại của PIN (Solar), đơn vị là V dược ký hiệu ở hang trên.
6. KHỐI CUNG CẤP NGUỒN DC 6.1. Sơ đồ nguyên lý
6.2. Chức năng của bộ cung cấp điện áp DC
Bộ cung cấp điện áp DC đảm nhiệm vai trò cho ra các mức điện áp DC
12V/9V/6V/5V để cho nhiều loại tải DC sử dụng trực tiếp (LED, radio, motor DC,...) với mức dòng tối đa là 8A cho mỗi mức điện áp. Trên Hình 7.8 chỉ có 3 mức điện áp là 9V/6V/5V, còn mức điện áp 12 V sẽ được sử dụng trực tiếp từ ACU.
Hình 6.9. Sơ đồ nguyên lý bộ cung cấp các mức điện áp DC cho tải
Trên hình 7.8 gồm có các IC ổn áp 7805 (U1) cho ra điện áp 5V, 7806 (U2) cho ra điện áp 6V, 7809 (U3) cho ra điện áp 9V; các transistor Q1, Q2, Q3 (B688) làm nhiệm vụ kéo dòng 8A; các linh kiện như tụ dùng để lọc nguồn, điện trở để phân áp.
6.3. Hình ảnh thực tế của bộ cung cấp điện áp DC
7. BỘ NGHỊCH LƯU DC-AC 220V/50HZ (INVERTER)
Hình 6.10. Hình ảnh thực tế của bộ cung cấp các mức điện áp DC cho tải
7.1. Sơ đồ nguyên lý bộ nghich lưu DC-AC 220V/50Hz (Inverter)
7.2. Chức năng của bộ nghich lưu DC-AC 220V/50Hz (Inverter)
Bộ nghịch lưu DC-AC 220V/50Hz (Inverter) làm nhiệm vụ chuyển đổi điện áp DC 12V từ ACU hoặc PIN thành điện áp AC 220V/50Hz để cung cấp cho các phụ tải dung nguồn điện xoay chiều như laptop, TV, quạt, đèn compact,... . Công suất đáp ứng tối đa của bộ nghịch lưu này là 500W, đủ để đáp ứng một cách tương đối nhu cầu sinh hoạt của hộ gia đình, ta có thế mở rộng công suất cung cấp của bộ inverter lên một cách dễ dàng.
Trên hình 7.10 là các thành phần : IC CD4047 (U8) tạo ra mức xung vuông 12V 50Hz, điện áp cung cấp cho IC này là 12VDC; phía sau là LM324 (U2A: và U2B: trong thực tế thì nó được tích hợp làm 1 gồm 2 hoặc 4 LM324 bên trong 1 IC) kéo áp cho bộ transistor công suất phía sau; 2 cặp transistor Q1 và Q4 là 2N3055, Q2 và Q3 là 2SC1061 được mắc Darlington để kéo dòng tối thiểu lên 3A kích cho 2 cặp sò 2N3055 ở phía sau với tổng công suất 500W.
Sau đó đưa thẳng vào biến áp (0-12-24) và ở đầu ra ta có được điện áp AC Hình 6.11. Sơ đồ nguyên lý bộ inverter DC-AC
nhưng điện áp AC có đủ công suất hay không còn phụ thuộc vào biến áp, cách tốt nhất là tự quấn hay nhờ những người có kình nghiệm quấn cho một biến áp với phía sơ cấp cao áp là dây đồng lõi lớn (tùy yêu cầu dòng ra) để đủ công suất cho tải AC như ta mong muốn.
7.3. Hình ảnh thực tế bộ nghich lưu DC-AC 220V/50Hz (Inverter)
8. CHỨC NĂNG CỦA MÁY CUNG CẤP ĐIỆN MẶT TRỜI (AUTO SOLAR POWER)
Máy cung cấp điện mặt trời (Auto Solar Power) đảm nhiệm các chức năng sau:
Thứ nhất, sạc và ngắt ACU tự động: khi bình ắc – quy giảm xuống điện áp Min (11V) máy sẽ tự động đóng công tắc để nạp cho ACU, khi điên áp ACU đầy đến mức điện áp Max (14,2V) nó sẽ ngắt ACU ra khỏi PIN nạp.
Thứ 2, hiển thị điên áp: trên màn hình LCD gồm 2 dòng thông tin, dòng thứ nhất là trạng thái nạp (Charging... (V)) hay không nạp (ACU FULL!...), dong thứ 2 là thông tin điện áp A: điện áp ACU, S: điện áp PIN (SOLAR).
Thứ 3, điều khiển tải: nó sẽ quyết đinh lúc nào tải sẽ sử dụng điên áp từ ACU và lúc nào nên sử dụng điện áp PIN; ngắt tải khi ACU cạn mà không có nguồn nạp (vào ban đêm hoặc không đủ ánh sáng mặt trời.
Thứ 4, cung cấp điện áp: DC 12V/9V/6V/5V, AC 220V/50Hz.
Ngoài ra máy còn được trang bị và lập trình để tự động giải quyết một số vấn đề như: giả sử khi ACU đang được nạp chưa đầy (đến 11,9V) thì điện áp PIN xuống dưới 5V không đủ điện áp sạc (do thời tiết), máy sẽ tự động sạc lại khi có đủ điện áp từ PIN, mặc dù điều kiện để sạc ACU là khi ACU cạn còn 11V.Và một vấn đề nữa là nếu như ta đang sạc ACU chưa đầy, ta không muốn sạc nữa hay chưa cạn điện ACU mà ta lại cứ muốn sạc, thì máy cũng đảm nhiệm được vấn đề này bằng việc được trang bị 2 nút sạc nóng và ngắt nóng (hay sạc tay và ngắt tay).
9. TỔNG QUAN KẾT CẤU BÊN NGOÀI CỦA MÁY CUNG CẤP ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (AUTO SOLAR POWER)
Hình 6.15. Hình ảnh nơi cấp nguồn AC của máy
Hình 6.14. Hình ảnh nơi cấp nguồn DC của máy
Hình 6.16. 2 nút điều khiển tay của máy
(sạc và ngắt nóng) Hình 6.17. Mặt sau của máy đã được kếtnối với PIN và ACU
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng, Nxb Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. [2] http://www.khoahoc.com.vn/congnghemoi/phat-minh/35554_Mat-troi-Nguon- nang-luong-cua-tuong-lai-Phan-1.aspx [3] http://www.ihr.org.vn/detail/tiem-nang-nang-luong-mat-troi-va-ung-dung-cong- nghe-dien-mat-troi-tai-cac-tinh-tay-bac.html [4] http://www.petrotimes.vn/nang-luong-xanh/2012/03/viet-nam-co-tiem-nang-vo- han-ve-nang-luong-mat-troi [5] http://www.vietnamep.com/energy/index.php?/y-mnh-sn-xut-in-mt-tri-ti-vit- nam.vietnamep [6] http://www.nangluongmattroi.com/ung-dung/177-ung-dung-nang-luong-mat- troi-tai-viet-nam.html [7] http://en.wikipedia.org/wiki/555_timer_IC [8] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/5/IRF540.shtml 72
PHỤ LỤC
Hệ thống đinh hướng pin mặt trời:
Như chúng ta thường thấy, pin măt trời được lắp đặt cố định vào một tấm đế, do đó hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm pin (12h). Ngoài thời điểm này ra, hiệu suất pin mặt trời sẽ giảm.
Vấn đề đặt ra: Làm thế nào để hiệu suất của pin được tối đa.
Để nâng cao hiệu suất của pin cần có một hệ thống điều khiển để luôn xác định được hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó mới điều khiển cho mặt phẳng của tấm pin hướng về phía vuông góc với ánh sáng.
Hình dưới đây so sánh hiệu suất của 1 hệ thống pin mặt trời gắn cố định và hệ thống pin mặt trời được điều khiển:
Rõ ràng thời gian đạt hiệu suất đỉnh của pin có điều khiển sẽ được kéo dài ra.Ta thấy rằng, điện năng của 1 hệ thống pin có điều khiển tạo ra trong vòng 24h (PS), sau khi trừ đi phần năng lượng để nuôi hệ thống (PC) thì còn lại là năng lược có ích (Ptotal). Rõ ràng, P_total khi pin mặt trời có điều khiển lớn hơn nhiều so với Ptotal khi pin mặt trời cố định.
Hệ thống điều khiển nói chung gồm 3 phần: - sensor (loại LDR là phổ biến) - xử lý
- loại dùng vi điều khiển ADC
- loại dùng các op - am (mạch so sánh) và các linh kiện phụ trợ.
Ở đây chúng ta nói đến phần sensor và mạch xử lý dùng vi điều khiển để điều khiển động cơ.
Nguyên lý hoạt động như sau:
Điều khiển tấm pin luôn hướng theo mặt trời (vuông góc với ánh nắng) cần 2 trục tự do (quay trong không gian) mỗi trục tự do được điều khiển bởi 1 động cơ và 2 (tối thiểu) sensor ánh sáng đi kèm.
2 sensor được bố trí trên mặt tấm pin và song song với tấm pin.
Khi hoạt động, bộ điều khiển liên tục đọc cường độ ánh sáng do 2 sensor đưa về thông qua 1 bộ ADC.
Nếu giá trị ADC đọc về nhỏ hơn 1 giá trị ngưỡng nào đó thì có nghĩa là trời có mây. Nếu giá trị ADC đọc về rất nhỏ (gần=0) có nghĩa trời tối.
Việc xác định các ngưỡng trời tối, trời có mây và trời nắng được xác định bằng thực nghiệm. Có được các giá trị này thì ta mới có thể điều khiển các chế độ làm việc cho bộ định hướng hoạt động tối ưu được. Hai giá trị cường độ ánh sáng do 2 sensor đưa về ta lưu vào 2 biến.
Giả sử cường độ ánh sáng sensor bên trái lớn hơn cường độ ánh sáng sensor bên phải, khi đó bộ định hướng sẽ điều khiển tấm pin quay về phía trái, trong quá trình quay, nó sẽ liên tục đọc giá trị ADC của 2 sensor đưa về và so sánh cho đến khi nào chúng bằng nhau, lúc này dừng động cơ và có thể hiểu: mặt trời đang ở giữa 2 sensor. Tương tự như vậy khi giá trị ADC của sensor phải lớn hơn.
Ta quan sát hình sau:
State A và State C là 2 trạng thái cần điều khiển
State B là trạng thái ổn định, mặt trời đã ở giữa, lúc này pin mặt trời có hiệu suất cao nhất. Ta cho dừng động cơ.
Chú ý: nếu là 1 hệ thống hoạt động thực tế (không phải trong phòng thí nghiệm) thì phải sau 1 khoảng thời gian (5 phút chẳng hạn) thì ta mới điều khiển một lần. Vì nếu diều khiển liên tục, động cơ sẽ tiêu thụ hết năng lượng chứa trong bình acquy của pin mặt trời.
Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là một vấn đề. Chúng ta đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại một thời nhất định, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu