TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN CUỐI KÌ ĐÈN GIAO THƠNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Môn học: Năng lượng mới trên ô tô
GVHD: Trần Thanh Thưởng LỚP: Chiều thứ 5-6, tiết 7-9
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2021
THÀNH VIÊN STT
MSSV
HỌ VÀ TÊN
NHIỆM VỤ Tham gia tích cực hoạt động
1
19145394
Thái Văn Huy
nhóm, nêu mục đích thiết kế và
phần kết luận.
2
19145398
Trang Ngọc Bảo Hưng
Tham gia tích cực hoạt động nhóm, phân cơng nhiệm vụ, và tổng hợp nội dung. Tham gia tích cực hoạt động
3
19145499
Phạm Anh Tuấn
nhóm, nêu lí do chọn đề tài và tính tốn thiết kế mơ phỏng.
KẾT QUẢ Hồn thành tốt. Hồn thành tốt.
Hồn thành tốt.
Tham gia tích cực hoạt động 4
19145471
Tơ Ngọc Minh Thơng
nhóm, nêu cấu tạo, phân loại và ngun lí hoạt động của pin năng lượng mặt trời. Tham gia tích cực hoạt động
5
19145352
Phạm Ngọc Duy
nhóm, thiết kế mạch trên Proteus, viết code trên Arduino. Tham gia tích cực hoạt động
6
19145119
Nguyễn Minh Tân
nhóm, nêu cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của pin năng lượng mặt trời.
Hoàn thành tốt. Hoàn thành tốt. Hoàn thành tốt.
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................
Điểm: ................................ Ngày…..tháng…..năm 2021 Giáo viên hướng dẫn
MỤC LỤC MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................3 1.1. Pin năng lượng mặt trời...................................................................................3 1.1.1. Cấu tạo....................................................................................................3 1.1.2. Phân loại..................................................................................................4 1.1.3. Nguyên lí hoạt động................................................................................6 CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG MƠ HÌNH ĐÈN GIAO THƠNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...................................................................................8 2.1. Mục đích thiết kế.............................................................................................8 2.2. Tính tốn thiết kế mơ phỏng............................................................................8 2.3. Một số hình ảnh về mơ phỏng..........................................................................9 2.4. Ngun lí hoạt động của mặt mơ phỏng.........................................................10 2.4.1. Mạch đèn giao thơng được mơ phỏng trên Proteus................................10 2.4.2. Mạch cịi báo đi nhanh...........................................................................11
2.4.3. Mạch nguồn và ngăn quá áp..................................................................12 2.5. Lập trình Arduino...........................................................................................14 KẾT LUẬN............................................................................................................. 17
MỞ ĐẦU Năng lượng và sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả là những vấn đề cấp thiết được chính phủ, các bộ ngành, địa phương rất quan tâm. Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có tiềm năng lớn, cung cấp ở phạm vi rộng. Việc phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời đã đáp ứng một phần nhu cầu điện năng sử dụng trong sản xuất, đời sống và sinh hoạt của người dân, góp phần bảo vệ mơi trường và chống biến đổi khí hậu. Cơng nghệ, thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời đã được hồn thiện và thương mại hóa khơng chỉ ở các nước trên thế giới, mà tại Việt Nam đều đã ứng dụng năng lượng mặt trời để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng với quy mô nhỏ nhất là ở những khu vực chưa thể nối được lưới điện đã phát triển mạnh và đạt được hiệu quả cao. Trong những năm gần đây, Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, ứng dụng công nghệ quang điện tiên tiến để cấp điện và quang nhiệt nhằm cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu của người dân đồng thời phát triển kinh tế, xã hội. Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá rất dồi dào, phong phú và là nguồn năng lượng cơ bản có tính chiến lược. Khơng chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà cịn là nguồn bổ sung quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường sống. Việt Nam đã ứng dụng năng lượng mặt trời để cấp điện, nhiều địa phương trong cả nước đã sử dụng năng lượng mặt trời trong chiếu sáng công cộng. Hệ thống đèn báo hiệu giao thông là một trong những hạng mục cơng trình hạ tầng kỹ thuật quan trọng, tiêu thụ lượng điện năng tương đối lớn và có nhiều tiềm năng để tiết kiệm. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nên việc ứng dụng các giải pháp để sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trong chiếu sáng công cộng đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Một trong những biện pháp
hiệu quả được đề cập đến đó là hệ thống đèn giao thơng sử dụng năng lượng mặt trời. Việc ứng dụng một nguồn năng lượng dồi dào như vậy không chỉ giảm bớt gánh nặng chi phí và tổn thất quốc gia mà cịn góp phần bảo vệ môi trường sống đang ngày một bị tàn phá hiện nay. Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề, chúng em đã chọn đề tài “Hệ 1
thống đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời” và mơ phỏng trên phần mềm Proteus để kiểm định tính hoạt động hiệu quả. Với kinh nghiệm và kiến thức còn ít nhưng với sự chỉ bảo tận tình của Thầy Trần Thanh Thưởng chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời gian quy định. Trong quá trình thực hiện đồ án, dù mỗi thành viên trong nhóm đã hết sức cố gắng, cộng với sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy và bạn bè, xong do khả năng, tài liệu và thời gian cịn hạn chế nên khó có thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy chúng em rất mong sự chỉ bảo của thầy cơ và sự góp ý của bạn bè để đồ án của chúng em được hoàn thiện. Qua đây em cũng xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của Thầy Trần Thanh Thưởng đã tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đồ án.
Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2021 Nhóm thực hiện:
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Pin năng lượng mặt trời 1.1.1. Cấu tạo - Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao
gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có thành phần chính là
sillic tinh khiết - có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Các tế bào quang điện này được bảo vệ bởi một tấm kính trong suốt ở mặt trước và một vật liệu nhựa ở phía sau. Tồn bộ nó được đóng gói chân khơng trong thơng qua lớp nhựa polymer càng trong suốt càng tốt. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n. Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp.
Cấu tạo một module Pin mặt trời: Tấm kính phủ phía trên Tấm keo EVA Lớp các Pin mặt trời Tấm keo EVA Tấm đáy
3
Nền tảng vật lý chất bán dẫn: Để tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán
dẫn. Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic. Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngồi cùng. Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (khơng có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon. Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được. Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử. Ở nhiệt độ phịng, Silic ngun chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hồn hóa học. Các ngun tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic. Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngồi cùng và ngun tử nhóm V có 5 electron ngồi cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron cịn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp với ngun tử nhóm III (nhơm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hịa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p. 1.1.2. Phân loại
4
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: - Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên q trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Hình 1.1: Pin mặt trời một tinh thể - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
Hình 1.2: Pin mặt trời loại đa tinh thể - Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì khơng cần phải cắt từ thỏi silicon.
5
Hình 1.3: Pin mặt trời được làm từ miếng phim silic mỏng
Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác
có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi- đồng (CuCds), Galium- arsenit (GaAs) … 1.1.3. Ngun lí hoạt động
Hình 1.4: Ngun lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời. - Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: + Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn. + Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các ngun tử lân cận vì thế khơng thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỗ trống”. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống”, và điều này tạo ra lỗ
6
trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống”. Cứ tiếp tục như vậy “lỗ trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngồi cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.
7
CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG MƠ HÌNH ĐÈN GIAO THƠNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. Mục đích thiết kế - Thiết kế đơn giãn, nhỏ gọn, không cần đến dây điện giúp thuận lợi trong việc tháo lắp, sửa chữa và tiết kiệm chi phí bảo dưỡng hệ thống. - Hoạt động hồn toàn tự động, tự động nạp năng lượng và bật sáng đèn vào ban đêm, không cần đến người điều khiển hệ thống. - Hoạt động hoàn toàn nhờ năng lượng mặt trời tiết kiệm chi phí về điện, góp một phần ý nghĩa quan trọng vào việc sử dụng năng lượng xanh. - Các thiết kế đẹp mắt, chống lực va đập. Các chip Led siêu sáng mang đến ánh sáng mạnh, ổn định nhưng khơng bị chói mắt. - Hoạt động bình thường khơng phụ thuộc vào các sự cố mất điện, có khả năng dự trữ điện cho những ngày thiếu ánh mặt trời. 2.2. Tính tốn thiết kế mơ phỏng - Mơ hình được xây dựng nhằm đáp ứng mục tiêu đã đặt ra của đề tài bao gồm: Chọn Arduino 5v 20mA Công suất arduino tiêu thụ = 5*20*= 0.1W Lượng điện tiêu thụ của thiết bị tải: Q = 0.1x24 = 2.4 Công suất tiêu thụ của pin mặt trời loại độc lập: W = Q / (H × f) = 2.4 / (3 x 0.75) 1.07W Trong đó: H – là cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời trung bình tại khu vực lắp đặt điện mặt trời Vì đang mơ phỏng trên Arduino nên chọn H = 3 Wh/mm2/ngày. f – là hệ số hao hụt do chuyển đổi, do đường dây lấy 0.75. Vậy nên, ta chọn: TẤM PIN MẶT TRỜI 112X84MM (6V-180mA) với công suất W = 1.08W.
8
2.3. Một số hình ảnh về mơ phỏng
Hình 2.1: Arduino Uno R3
Hình 2.2: Pin 5V
Hình 2.3: Điện trở
9
Hình 2.4: Tấm pin năng lượng mặt trời 6V-180mA 2.4. Nguyên lí hoạt động của mặt mơ phỏng Khi điện từ năng lượng mặt trời (ban ngày) hoặc acquy (ban đêm) cung cấp điện cho arduino, thì chính arduino là nguồn ni cho tồn mạch. 2.4.1. Mạch đèn giao thơng được mơ phỏng trên Proteus
Hình 2.5: Mạch đèn giao thơng được mơ phỏng trên Proteus
10
*Nguyên lí hoạt động: Ta sẽ xét nguyên lí hoạt động một nhóm thiết bị gồm: arduino, 3 bóng đèn led (biểu thị cho đỏ, xanh và vàng), relay. Từ các nhóm cịn lại ngun lí hoạt động tương tự nhau (Hình 2.5). Khi đèn xanh sáng thì chân 8 cho ra mức cao 5V làm relay 1 đóng lại từ đó dịng sẽ được cấp cho đèn xanh . Sau 40 giây chân 13 và chân 8 tắt ,khi chân 8 tắt thì dịng sẽ được cấp cho đèn đỏ và relay 4 (vì relay 5 nhả do chân 13 tắt làm cho dòng nối relay 4 kín mạch), khi có dịng qua relay 4 (dịng qua relay 2 do chân 13 tắt nên relay 2 nhả cho dịng đi qua) thì relay 4 đóng giúp dịng qua đèn vàng kín và đồng thời qua relay 5 và làm relay đóng lại làm cho
dịng qua đèn đỏ hở mạch đèn đỏ tắt và đèn vàng sáng 5 giây. Sau 5 giây thì chân 13 lên mức cao 5V làm relay 2 đóng và dịng qua relay 4 bị hở và làm realy 5 nhả từ đó dịng từ relay 5 tới relay 6 làm relay 6 đóng lại làm cho dòng qua đèn vàng bị hở, vậy đèn vàng tắt và đèn đỏ sáng 30 giây . Sau 30 giây thì chân 8 lên lại mức cao làm relay 1 đóng và đèn xanh sáng đèn đỏ tắt. 2.4.2. Mạch còi báo đi nhanh *Nguyên lí hoạt động: Dịng từ đèn vàng do dưới 5v nên phải qua con LM358 để có dịng 5v vào con relay, vì chỉ có relay 5v, khi có dịng relay đóng làm hở dòng từ chân 4 xuống mass, ic555 sẽ tạo xung và coi sẽ kêu lên.
11
Hình 2.6: Mạch cịi báo đi nhanh 2.4.3. Mạch nguồn và ngăn q áp *Ngun lí hoạt động: Khi khơng có ánh sáng thì quang trở cực đại nên sẽ khơng có dịng qua làm cho Q1 không dẫn và Q2 dẫn suy ra sẽ có dịng qua relay thơng qua Q2 và relay sẽ đóng lại và arduino sẽ lấy nguồn từ Acquy và dừng sạc cho acquy. Khi có ánh sáng quang trở cực tiểu nên sẽ có dịng vào chân B của Q1 và làm Q1 dẫn và từ đó làm Q2 khơng dẫn suy ra sẽ khơng có dịng qua relay và relay sẽ nhả ra và Arduino sẽ lấy nguồn từ Pin mặt trời và tiến hành sạc cho acquy. Opame LM358 dùng để tránh hiện tượng quá áp cho Acquy, chân 3 được nối từ Pin và chân 2 sẽ được nối vào nguổn tiêu chuẩn của Acquy, khi chân 3 bị quá áp (điện áp chân 3 lớn hơn chân 2 ) thì LM358 sẽ ngắt điện vào Acquy, tránh gây nổ bình. 12
KẾT LUẬN - Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án nhóm em đã hồn thành đồ án của mình. - Đồ án gồm các nội dung: Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của hệ thống sử dụng pin năng lương mặt trời. Những lợi ích và ý nghĩa mà hệ thống mang lại. Mô phỏng hệ thống trên ứng dụng proteus. - Hạn chế: Do hiệu suất của pin rất thấp dưới 25% nên diện tích tấm pin cần lắp đặt rất lớn chiếm nhiều diện tích. Việc lắp đặt trong các đơ thị đơng đúc cịn hạn chế. Mơ hình chỉ mới mơ phỏng chưa đưa ra thực tế. - Thông qua bài báo cáo, em rút ra kết luận như sau: Việc sử dụng năng lượng mặt trời đóng góp một phần quan trọng trong cuộc sống, từ việc tiết kiệm nhiên liệu đến việc bảo vệ môi trường. Đây sẽ là bước đi đầu để hướng cộng đồng đến việc sử dụng năng lượng xanh làm chủ đạo trong việc sản xuất và cuộc sống hằng ngày. Trong tương lai việc sử dụng năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, LPG, …) sẽ được nhân rộng trong cộng đồng do nhu cầu cuộc sống và ý thức bảo vệ môi trường của
mọi người được tăng cao và ý nghĩa to lớn nó mang lại. Em xin chân thành cảm ơn!