Hệ thống quản lý năng lượng tái tạo thông minh

HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO THÔNG MINH
Đỗ Văn Vinh – 1410691
Văn Đức Tươi – 1410661
Huỳnh Ngọc Quốc – 1410656
Huỳnh Trình – 1413092
Phan Đỗ Minh Trọng – 1410664

Lớp VTK38, Khoa Vật lý
1.

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1.

Lý do chọn đề tài (tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu)

Trong thời đại ngày nay, năng lượng là vấn đề cấp thiết cho sự tồn tại và thúc đẩy phát
triển kinh tế xã hội của các quốc gia trên thế giới. Nếu chúng ta không sử dụng hợp lý các
nguồn năng lượng sẽ đứng trước thách thức về biến đổi khí hậu, cạn kiệt tài ngun khống
sản. Do đó, các nguồn năng lượng tái tạo dần được đưa vào thay thế năng lượng hóa thạch. Một
trong những nguồn năng lượng mới đó là năng lượng mặt trời. Tuy nhiên để sử dụng nguồn
năng lượng mới này một cách thông minh, hiệu quả là vấn đề cần phải quan tâm.
Năng lượng mặt trời hiện nay được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực của cuộc sống,
năng lượng từ pin mặt trời được tích trữ trong bình nạp (acquy) rồi sử dụng năng lượng từ bình
nạp đó để kết nối lưới điện và sinh hoạt. Tuy nhiên, pin mặt trời là một nguồn năng lượng luôn
biến đổi tùy thuộc vào bức xạ nhận được từ mặt trời, dẫn đến việc chuyển đổi gặp khó khăn,
yêu cầu có mạch chuyển đổi phải đáp ứng nhanh sự biến đổi đó. Nên chúng em đã xây dựng hệ
thống quản lý năng lượng mặt trời đáp ứng sự biến đổi pin mặt trời, điều khiển chế độ nạp xả
thông minh, điều khiển các thiết bị điện hiệu quả.

1.2.

Mục đích nghiên cứu

Cường độ bức xạ năng lượng mặt trời ở Đà Lạt cao hơn trung bình của các tỉnh trên cả
nước (Theo công bố cường độ bức xạ năng lượng mặt trời tại Việt Nam), nên năng lượng mặt
trời được sử dụng phổ biến chuyển thành nhiệt năng. Đồng thời sử dụng một số thiết bị có sẵn
trong khoa Vật Lý, chúng em đã có ý tưởng xây dựng một hệ thống quản lý năng lượng mặt
trời chuyển thành điện năng được dự trữ trong acquy. Từ năng lượng đó sẽ cung cấp điện để sử
dụng các thiết bị điện trong khoa Vật Lý như khóa cửa, đồng hồ, đèn hành lang,…
Mục tiêu đề tài nguyên cứu đặt ra là hệ thống quản lý năng lượng dự trữ nhận biết được
mức năng lượng từ pin mặt trời và bình acquy để so sánh sự chênh lệch điên áp. Từ đó bộ xử lý
sẽ điều khiển mức nạp điện áp cho acquy theo xung một cách hợp lý. Hướng khác, dựa vào
dung lượng hiện có của bình acquy, bộ xử lý sẽ điều khiển việc hoạt động của các thiết bị điện
hiệu quả; theo mức năng lượng có trong acquy, hệ thống cho những thiết bị cần thiết hoạt động
và đóng thiết bị khơng quan trọng.

5


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

2.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu là công cụ nghiên cứu trong thực hiện nhiệm vụ đề tài. Dựa
vào mục tiêu và đối tượng nghiên cứu quyết định nên phương pháp nghiên cứu khoa học.
Nghiên cứu các tài liệu và đề tài đã có, phân tích và tổng hợp lý thuyết phù hợp với đề tài khoa
học đã đặt ra và nắm vững phương pháp công nghệ cần để triển khai đề tài nghiên cứu, chế tạo

ra sản phẩm ứng dụng phục vụ nâng cao hiệu suất hệ thống pin mặt trời. Phương pháp giả
thuyết đặt ra những tình huống sản phẩm sẽ hoạt động, từ đó xây dựng mơ hình xác định tình
huống hoạt động có hiệu quả khi điều khiển các thiết bị khác. Phương pháp quan sát và thực
nghiệm áp dụng vào quá trình hình thành ứng dụng, kiểm tra sản phẩm hoạt động có như yêu
cầu đặt ra, đánh giá những gì đã đạt được và những sai sót cần khắc phục khi ứng dụng vào
thực tế. Cuối cùng, phân tích và tổng kết quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, rút ra kinh
nghiệm, đối chiếu với những sản phẩm cùng nội dung đề tài.
3.

NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1.

Sơ đồ tổng quát đề tài

Các khối trong sơ đồ:
•
Khối điều khiển là trung tâm của hệ thống sử dụng IC ATMEGA16, là một chip
được nạp chương trình có thể điều khiển việc dự trữ năng lượng và sử dụng các thiết bị
điện phù hợp. Ở thiết bị dự trữ năng lượng điện (acquy), khối điều khiển so sánh điện áp
giữa pin mặt trời và điện áp có trong acquy tại mỗi thời điểm để quyết định việc nạp
năng lượng vào acquy hay không. Với các thiết bị điện, khối điều khiển dựa vào năng
lượng trong bình để cho phép thành phần nào hoạt động.
•
Khối lấy mẫu dùng điện trở tạo nên cầu phân áp, để khối điều khiển hiểu được
mức điện áp ở pin mặt trời và trong acquy rồi thực hiện quá trình so sánh thì cần phải có
khối lấy mẫu ADC nhằm chuyển đổi tín hiệu tương ứng với mức điện áp.
6

HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

•
Khối dự trữ năng lượng (acquy 12V, 8Ah) nhiệm vụ chính là tiếp nhận năng
lượng từ pin mặt rồi thông qua sự điều khiển cấp điện cho các thiết bị cần thiết hoạt
động và làm nguồn ni cho tồn bộ hệ thống, tùy thuộc vào thiết bị mà sẽ có nguồn
cung cấp khác nhau. Ví dụ thông qua khối hạ áp để ổn định cho điện áp đầu vào của
chip là 5V.
•
Khối đóng ngắt sử dụng Mosfet góp phần thực hiện nhiệm vụ điều khiển việc nạp
năng lượng cho acquy thông qua phương pháp điều xung PWM (Pulse Width
Modulation) của chip vi xử lý. Ngoài ra đây cịn là cơng tắc đóng mở giúp các thiết bị
ứng dụng hoạt động dựa trên sự điều khiển của chip.
•
Khối pin mặt trời, hiện hệ thống đang sử dụng 2 tấm pin mặt trời công suất 120W
để cung cấp điện năng cho tồn bộ hệ thống.
•
Khối ứng dụng hoạt động thông qua các cảm biến như nhiệt độ, chuyển động hay
ánh sang từ pin mặt trời. Các cảm biến được khối điều khiển thu nhận tín hiệu, dựa trên
tín hiệu đó để đóng mở cho thiết bị tương ứng hoạt động.
•
Khối hiển thị dùng 4 led 7 đoạn để hiển thị lần lượt điện áp pin mặt trời, điện áp
acquy và nhiệt độ môi trường.
3.2.

Sơ đồ nguyên lý

7

HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

Nguyên lý hoạt động:
Từ pin mặt trời đấu nối với đầu vào của mạch nạp, mạch sử dụng chân âm chung, điện
năng qua diot được phân cực thuận để bảo vệ pin mặt trời khi có dòng chảy ngược về pin. Đến
rơle, một hướng ra tải tiêu thụ nếu năng lượng dư thừa, hướng khác sẽ nạp điện cho acquy. Khi
sử dụng rơle ở chế độ nạp, mạch thiết kế thêm diot khác để tăng sự ổn định cho rơle và đèn led
để báo sáng. Đấu nối đến chân IC để kích transistor đóng mở rơle, rơle quyết định hệ thống có
nạp hay khơng.
Với chương trình được viết, chế độ nạp điều xung PWM thông qua đấu nối với chân tạo
xung PWM từ IC. Mạch dùng 2 mosfet Q5 và Q9 để dẫn, ngưng trong khoảng bao lâu theo
mức tín hiệu cao thấp nhận được từ khối điều khiển. Khi sử dụng cầu phân áp để phân cực cho
mosfet, cịn hạn được dịng có thể ảnh hưởng đến chip điều khiển. Khi tín hiệu ở mức cao Q9
dẫn làm acquy được nạp điện, sử dụng cầu chì và diot để bảo vệ acquy trách trường hợp có
dịng dội từ tải về.
Khối điều khiển được cấp nguồn từ acquy thông qua ổn áp 5V (khối nguồn), 2 chân
Vref và Vcc tạo điện áp đầu vào, điện áp tham chiếu cho các giá trị ADC ổn định. Chip hoạt
động còn phụ thuộc vào tần số nhất đinh ở khối dao động và khối reset.
Khối lấy mẫu dùng cầu phân áp để IC đọc được dung lượng trên pin mặt trời và acquy là
bao nhiêu. Các giá trị điện trở được tính tốn sao cho IC dựa vào ADC mà có thể hiểu được 5V
là 25V đối với pin mặt trời, 14V đối với acquy.
Khối quét Led và hiển thị, dùng module 4 led 7 đoạn Anode chung, sử dụng Port B để
xuất ra các các giá trị mà ADC đọc được. Để led 7 đoạn hiển thị thì vi xử lý 4 chân để kích mở
dẫn 4 transistor loại pnp.
Khối cảm biến: ở đây dùng 3 cảm biến gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến chuyển động
và dùng pin mặt trời làm cảm biến ánh sáng. Vi xử lý nhận các tín hiệu từ cảm biến mà đóng
ngắt các thiết bị tương ứng.
Khối ứng dụng: hệ thống sẽ đóng ngắt 3 ứng dụng đi liền với hệ thống gồm 1 quạt và 2
đèn dựa vào các cảm biến đã giới thiệu ở trên.
Ngồi ra, hệ thống cịn dùng để cấp nguồn cho các ứng dụng ngoại vi nhưng vẫn phải

chịu sự giám sát từ bộ điều khiển, ví dụ khi ắc quy thấp điện sẽ ngưng tải để duy trì hệ thống
sang ngày hơm sau.
3.3.

Kết quả

Sau thời gian nghiên cứu và thực hiên đề tài, đã có sản phẩm cuối cùng đáp ứng yêu cầu
đặt ra, hệ thống điều khiển được việc nạp điện cho bình acquy một cách thơng minh và sử dụng
nguồn điện nạp đó hợp lý mang lại hiệu quả. Chip điều khiển dựa vào chương trình điều khiển
các bộ phận phần cứng trong tồn hệ thống.

8


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

Do đề tài với quy mô nhỏ nên hiện tại hệ thống chỉ hoạt động ở những thiết bị có cơng
suất thấp, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu thí nghiệm sản phẩm. Q trình thực hiên giúp cho
nhóm nghiên cứu ơn tập, học hỏi thêm về kiến thức chuyên ngành, áp dụng những vấn đề lý
thuyết đã học vào thực tế.
4.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1.

Kết luận

Đề tài nâng cao nhận thức về sử dụng năng lượng sạch trong các tòa nhà cơ quan văn
phòng đặc biệt trong trường đại học Đà Lạt, đáp ứng yêu cầu sử dụng tiết kiệm năng lượng,

hoạt động các thiết bị điện một cách tối ưu, tự hoạt động theo sự định trước. Đã chỉ ra các
thông số về điện áp đầu ra, tần số hoạt động hệ thống luôn ổn định, thấy rõ khả năng ứng dụng
trong thực tế không những trong phạm vi nhà trường mà cịn có thể ứng dụng trong đời sống.
Đề tài góp phần giảm tiêu thụ điện cho đơn vị sử dụng, giảm tải cho lưới điện, một số
ứng dụng tự động theo cảm biến bên ngồi.
4.2.

Kiến nghị

Nhằm tăng hiệu quả sử dụng của mơ hình dự trữ điện pin năng lượng mặt trời vào acquy
quy mơ nhỏ khơng có nối lưới điện, nhóm thực hiện đề tài sẽ mở rộng đưa ra thêm giải pháp
nâng cao năng suất để nối lưới điện khi nguồn điện lưới cấp không liên tục.
Thông qua đề tài, việc ứng dụng năng lượng mặt trời để cấp điện cho khu văn phịng
khoa là hồn tồn khả thi và mang lại những lợi ích thiết thực. Do đó, Nhà trường nên đưa ra
các chương trình và kế hoạch triển khai mơ hình ứng dụng với các khoa, để tạo nên hệ thống
ứng dụng tiết kiệm điện năng, kinh phí khi sử dụng ứng dụng năng lượng mặt trời.
Nhằm duy trì tính ổn định và hiệu quả của đề tài, nên bổ sung kinh phí cho đơn vị thực
hiện đề tài để bảo trì, mở rộng quy mơ hệ thống mang lại hiệu quả cao hơn khi sử dụng điện
năng lượng mặt trời.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Giáo trình Vi điều khiển AVR của DKS Group, 2014
2. Học lập trình AVR, www.hocavr.com
3. Thiết kế mạch điện tử,
4. Đề tài Thiết kế cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời, , 2015
5. Hướng dẫn sử dụng AVR, www.dientuvietnam.net, 2018
6. Datasheet search site for electronic,

9