Thiết kế chế tạo mô hình bơm nước sử dụng pin năng lượng mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.61 MB, 22 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
MAI PHƯỚC TRẢI
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƯỚC
SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116
S K C0 0 4 7 5 6
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
MAI PHƢỚC TRẢI
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƢỚC
SỬ DỤNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC-60520116
Hƣớng dẫn khoa học: TS. LÊ THANH PHÚC
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015.
ii
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
iii
LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Mai Phƣớc Trải
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1989
Nơi sinh: Đồng Tháp
Dánhình
3x4
&đóngmộc
giáplạihình
Quê quán: Tân Nghĩa, Cao Lãnh, Đồng Tháp Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Trƣờng Đai Học
Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long.
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 73Nguyễn Huệ, Phƣờng 2, TP.Vĩnh Long
Điện thoại cơ quan: 0703822141
Điện thoại nhà riêng: 01669866665
Fax: 0703821003
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Cao Đẳng chính qui
Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 03/2011
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long.
Ngành học: Cơ Khí Động Lực.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui
Thời gian đào tạo từ 09/2011 đến 03/2013
Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô.
Tên đồ án, luận án tốt nghiệp: Biên soạn giáo trình môn học thực tập ô tô 1
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án tốt nghiệp: 01/2013 tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM
Ngƣời hƣớng dẫn: GVC.Ths.Nguyễn Văn Toàn.
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính qui
Thời gian đào tạo từ 09/20113 đến 10/2015
i
Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Tên luận văn: Thiết kế chế tạo mô hình bơm nƣớc sử dụng pin năng lƣợng mặt trời.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 10/2015 tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM
Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
4. Tiến sĩ:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Tại (trƣờng, viện, nƣớc):
Tên luận án:
Ngƣời hƣớng dẫn:
Ngày & nơi bảo vệ:
5. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn B1
6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp, số bằng, ngày & nơi cấp:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
01-06-2013
Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long
Giảng viên
IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:
XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
(Kýtên, đóng dấu)
Ngày 09 tháng 09 năm 2015
Ngƣời khai ký tên
Mai Phƣớc Trải
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 09 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Mai Phƣớc Trải
iii
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cảm ơn:
-
Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
-
Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vĩnh Long.
-
Thầy cô làm việc ở các phòng, khoa chuyên môn, thƣ viện, đặc biệt là phòng Đào tạo sau
đại học, khoa cơ khí động lực trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
-
Thầy cô làm việc ở các phòng tổ chức hành chính, phòng kế toán tài vụ, phòng đào tạo,
phòng quản lý khoa học, thƣ viện, khoa cơ khí Động lực trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ
thuật Vĩnh Long.
-
Thầy hƣớng dẫn tiến sĩ Lê Thanh Phúc đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, động viênvà tạo
điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Xin kính chúc thầy luôn mạnh khỏe, vui
tƣơi, hạnh phúc và tiến bƣớc trên sự nghiệp giáo dục của mình.
-
Thầy phản biện luận văn đã có những ý kiến đóng góp giúp em hoàn thiện đƣợc tốt luận
văn của mình. Chúc thầy vui vẻ, khỏe mạnh, hạnh phúc.
-
Thầy cô tham gia giảng dạy lớp cao học ngành kỹ thuật cơ khí động lực niên khóa 2013
– 2015B.
-
Gia đình, ngƣời thân, đồng nghiệp, bạn bè.
Đã tận tình giúp đỡ động viên và tạo mọi đều kiện thuận lợi về mọi mặt giúp tôi hoàn thành
khóa học.
Tp. HCM, Ngày 18 tháng 09 năm 2015
Ngƣời nghiên cứu
Mai Phƣớc Trải
iv
TÓM TẮT
Luận văn này trình bày việc thiết kế và thi công mô hình bơm nƣớc sử dụng pin năng
lƣợng phục vụ cho đời sống sản xuất, sinh hoạt cho ngƣời dân nông thôn ở Đồng bằng sông
Cửu Long. Ngƣời sử dụng vận hành ở hai chế độ bơm là có hẹn thời gian và không có hẹn
thời gian.
Tác giả sử dụng vi điều khiển PIC18F4550-40 của hãng Microchip để đọc dòng điện
đầu vào từ cảm biến dòng ACS756-50 và điện áp đầu vào, điện áp đầu ra từ cầu phân áp,
đọc nhiệt độ của pin từ cảm biến nhiệt độ LM35, để điều khiển tần số đóng mở mạch kích
MOSFET của mạch công suất, điều khiển đóng mở các Relay, tính toán hiển thị điện áp,
công suất của pin, nhiệt độ, thời gian bơm lên màn hình LCD.
Ngoài ra mạch còn có các tụ và IC ổn áp nguồn 7812 dùng để ổn định điện áp nguồn
và các tụ dùng để bù sụt áp giúp cho mạch hoạt hoạt động ổn định.
Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hoạt động khá ổn định và đạt yêu cầu đề ra.
Điện áp đầu vào của mạch từ pin năng lƣợng mặt trời thay đổi liên tục từ 14V đến 18V.
Điện áp này phục thuộc vào cƣờng độ bức xạ của ánh nắng mặt trời chiếu xuống diện tích
của pin. Điện áp đầu ra của mạch cấp cho tải dao động nhỏ từ 24V đến 26V. Bằng kết quả
thực nghiệm cho thấy, điện áp đầu ra khỏi mạch nạp cho ắc qui ổn định hơn so với điện áp
cấp cho bơm hoạt động do công suất của bơm lớn hơn của bình ắc qui. Điện áp từ ắc qui cấp
cho bơm qua Relay giảm theo thời gian, và giá trị dao động từ 24V đến 22V thì dừng bơm.
Từ khóa: Mô hình bơm nƣớc, Pin năng lƣợng mặt trời, Mạch điều khiển bơm.
v
ABSTRACT
The key content of this thesis is about the design of water pumping model using in
order to serve the production, irrigation systems and everyday living for rural residents in
Mekong Delta. This system can be used in dual-mode operation including pump with timer
and no timer.
The author has used its micro controllers PIC18F4550-40 from the Microchip
producer to read the input current flow from its sensor ACS756-50, and the input, output
voltage from the potentiometer, read the temperature of the battery from a sensor LM35 to
control all Commutation frequency which is used to open or close fiel circuit MOSFET of
the power circuit, control the opening of the Relay, calculate and display voltage, battery
capacity, temperature, time diaphragm in the LCD.
Besides, the circuits also have capacitors and IC 7812 voltage regualator which are
used for stablizing the voltage source, and the other capacitors are used to compensate for
the voltage as it is lower in order to make the circuit stable.
Experimental results show that the model works quite stably and effectively. The
input voltage of solar panels is changing continuously from 14V to 18V dependent on the
radiation intensity of sun which shines down the square of the battery. However, the output
voltage has not changed drammatically from 24V to 26V. With the experiment, it can be
seen the output voltage of the circuit which charges the battery is more stable than that of
the pump since the model of using the pump power is more than the battery power. If the
voltage from the battery which supplies to pump has decreased through RELAY from 24V
to 22V, it will stop working.
Keywords: Models of water pump, Solar batteries, Pump control circuit.
vi
MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ...............................................................................................iii
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................iii
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................... iv
TÓM TẮT ................................................................................................................................ v
ABSTRACT ............................................................................................................................ vi
MỤC LỤC ............................................................................................................................. vii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................. xii
DANH MỤC HÌNH ..............................................................................................................xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. xvii
Chƣơng 1.................................................................................................................................. 1
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ..................................................................... 1
1.1 Tồng quan về lĩnh vực nghiên cứu .................................................................................... 1
1.2 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nƣớc ............................................... 2
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong nƣớc ........................................................ 2
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng ngoài nƣớc ....................................................... 5
1.3 Mục đích của đề tài .......................................................................................................... 12
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ...................................................................................... 12
1.4.1 Nhiệm vụ .................................................................................................................. 12
1.4.2 Giới hạn của đề tài .................................................................................................... 13
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................. 13
1.6 Điểm mới của đề tài ......................................................................................................... 13
1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài ................................................................................................ 13
1.8 Bố cục của luận văn ......................................................................................................... 14
vii
Chƣơng 2................................................................................................................................ 15
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LUẬN VĂN ............................................................................. 15
2.1 Lý thuyết về Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời ............................................................ 15
2.1.1 Lý do chọn năng lƣợng mặt trời ................................................................................ 15
2.1.2 Mặt trời ...................................................................................................................... 15
2.1.3 Nguồn bức xạ Mặt trời .............................................................................................. 16
2.2 Cơ sở lý thuyết của Pin năng lƣợng Mặt Trời ................................................................. 18
2.2.1 Pin năng lƣợng Mặt trời là gì? ................................................................................... 18
2.2.2 Lịch sử về pin năng lƣợng Mặt Trời ......................................................................... 19
2.2.3 Nền tảng của pin năng lƣợng Mặt trời....................................................................... 19
2.2.4 Vật liệu chế tạo pin năng lƣơng mặt trời ................................................................... 21
2.2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lƣơng Mặt trời .................................. 22
2.2.5.1 Cấu tạo ................................................................................................................ 22
2.2.5.2 Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 23
2.2.6 Hiệu suất của pin năng lƣợng Mặt trời ...................................................................... 25
2.2.7 Ƣu và nhƣợc điểm của pin năng lƣợng Mặt Trời ...................................................... 26
2.2.7.1 Ƣu điểm của năng lƣợng Mặt trời ..................................................................... 26
2.2.7.2 Nhƣợc điểm của pin năng lƣợng mặt trời.......................................................... 27
2.2.8 Đặc tính làm việc của pin mặt trời ............................................................................ 27
2.3 Lý thuyết về công suất cực đại của pin năng lƣợng Mặt trời ......................................... 31
2.3.1 Tầm quan trọng của việc dò tìm công suất cực đại ................................................... 31
2.3.2 Thuật toán Perturb & Observe (P&O) để tìm điểm công suất cực đại...................... 32
2.4 Lý thuyết về biến đổi điện áp trong hệ thống pin năng lƣợng Mặt trời .......................... 35
2.4.1 Bộ biến đổi điện áp DC/DC....................................................................................... 35
2.4.2 Bộ biến đổi áp DC/DC boost converter..................................................................... 36
2.5 Giới thiệu động cơ bơm nƣớc và tính toán trên cơ sở lý thuyết ...................................... 39
viii
2.5.1 Ƣu điểm của động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều .............................. 39
2.5.1.1 Ƣu điểm của động cơ điện xoay chiều ................................................................ 39
2.5.1.2 Ƣu của động cơ điện một chiều .......................................................................... 39
2.5.2 Cấu tạo của máy bơm nƣớc ....................................................................................... 39
2.5.3 Nguyên lý hoạt động của bơm màng ........................................................................ 41
2.5.3 Một số lợi điểm của máy bơm màng ........................................................................ 43
2.5.4 Đặt tính là việc của bơm màng ................................................................................. 43
2.6
Cở sở lý thuyết tính toán hệ thống pin năng lƣợng Mặt trời ....................................... 45
2.6.1 Tính tổng lƣợng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị sử dụng mỗi ngày .................. 45
2.6.2 Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày ........ 45
2.6.3 Tính toán kích cở tấm pin mặt trời cần sử dụng ........................................................ 45
2.6.4 Tính toán ắc qui (battery) .......................................................................................... 46
2.7 Lý thuyết về hƣớng dẫn sử dụng và bảo dƣỡng ắc qui ................................................... 47
2.7.1 Nguyên lý hoạt động của ắc qui ................................................................................ 47
2.7.2 Hƣớng dẫn cách nạp điện cho ắc qui trƣớc khi sử dụng ........................................... 47
2.7.3 Hƣớng dẫn cách nạp điện ắc qui trog quá trình sử dụng ........................................... 49
2.7.4 Bảo quản .................................................................................................................... 50
Chƣơng 3................................................................................................................................ 51
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƢỚC .................................................................. 51
3.1 Các yêu cầu kỹ thuật khi chế tạo mô hình bơm nƣớc ...................................................... 51
3.1.1 Yêu cầu về kỹ thuật .................................................................................................. 51
3.1.2 Yêu cầu về kinh tế .................................................................................................... 51
3.2
Sơ đồ của mô hình ....................................................................................................... 51
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của mô hình ..................................................................... 51
3.2.2 Sơ đồ kết cấu của mô hình......................................................................................... 52
3.2.3Tính hệ thống pin năng lƣợng mặt trời sử dụng cho mô hình .................................... 54
ix
3.3 Chọn các thiết bị cho mô hình ......................................................................................... 55
3.3.1 Chọn Thông số kỹ thuật cho pin năng lƣợng Mặt Trời ............................................. 55
3.3.2 Chọn thông số kỹ thuật cho máy bơm nƣớc .............................................................. 57
3.3.2.1 Tính toán ống hút của máy bơm ......................................................................... 58
3.3.2.2 Tính toán vòi phun nƣớc ..................................................................................... 58
3.3.3 Chọn ắc qui ............................................................................................................... 59
3.4 Thi công bo mạch cho mô hình ....................................................................................... 60
3.4.1 Chọn linh kiện điện tử cho bo mạch .......................................................................... 60
3.4.2 Yêu cầu của của linh kiện điện tử ............................................................................ 60
3.4.3 Mạch điều khiển công suất ....................................................................................... 60
3.4.3.1 Tính toán chọn các linh kiện điện tử cho mạch công suất ................................ 61
3.4.3.2 Giải thuật chƣơng trình điều khiển điện áp của mạch công suất....................... 63
3.4.3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển công suất ....................................... 63
3.4.4 Mạch nguồn cho vi điều khiển .................................................................................. 64
3.4.5 Mạch Cảm biến dòng ACS756-50 ............................................................................ 65
3.4.6 Mạch Reset cho vi điều khiển và hiển thị LCD 16x2 ............................................... 65
3.4.7 Sơ đồ mạch điều khiển relay .................................................................................... 67
3.4.7.1 Giản thuật đều khiển relay bơm ........................................................................ 68
3.4.7.2 Mạch điều khiển Relay 1 lấy điện áp từ pin cấp cho bơm .................................. 68
3.4.7.4 Mạch điều khiển Relay 3 lấy điện áp từ pin nạp cho ắc qui ............................... 71
3.4.8 Sơ đồ mạch nút nhấn bơm ........................................................................................ 72
3.4.9 Sơ đồ mạch nút nhấn tăng thời gian bơm ................................................................. 72
3.4.10 Sơ đồ mạch nút nhấn thời gian bơm giảm .............................................................. 73
3.4.11 Giản thuật điều khiển nút nhấn hẹn và không hẹn thời gian bơm ........................... 74
3.5 Quy trình làm mach ......................................................................................................... 74
Chƣơng 4................................................................................................................................ 77
x
THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN ..................................................... 77
HƢỚNG PHÁT TRIỂN......................................................................................................... 77
4.1 Các quy định về an toàn khi vận hành thiết bị ................................................................. 77
4.1.1 Các quy định về an toàn ............................................................................................ 77
4.1.2 Những vấn đề cần lƣu ý khi tai nạn đã xảy ra .......................................................... 77
4.1.3 Những quy định khi làm việc với ắc qui .................................................................. 78
4.1.4 Kiểm tra các hệ thống trƣớc khi vận hành................................................................. 78
4.1.5 Kiểm tra hàng ngày ................................................................................................... 79
ết bị ...................................... 79
4.1.6
4.2 Hƣớng dẫn lắp đặt và đấu dây cho mô hình .................................................................... 79
4.3 Hƣớng dẫn vận hành thiết bị ............................................................................................ 82
4.3.1 Một số yêu cầu khi vận hành thiết bị......................................................................... 82
4.3.2 Hoạt động của mô hình ............................................................................................ 82
4.3.3 Các trƣờng hợp hoạt động của mô hình thực tế nhƣ sau ........................................... 84
4.4 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................................ 85
4.4.1 Thực nghiệm đo điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi bơm hoạt động ................... 85
4.4.2 Thực nghiệm đo điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi nạp điện cho ắc qui ............ 87
4.4.3 Thực nghiệm khi bơm bằng ắc qui ............................................................................ 89
4.4.4 Nhận xét kết quả thực nghiệm ................................................................................... 89
4.5 Thực nghiệm thực tiễn khi bơm nƣớc tƣới cho hoa màu................................................. 89
4.6 Đánh giá kết quả đạt đƣợc .............................................................................................. 90
4.7 Kết luận ............................................................................................................................ 91
4.8 Hƣớng phát triển của đề tài nghiên cứu ........................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 93
PHỤ LỤC............................................................................................................................... 96
Phụ lục: Chƣơng trình code của mạch ................................................................................... 96
xi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NL: Năng lƣợng
NLMT: Năng lƣợng mặt trời
CĐNL: Chuyển đổi năng lƣợng
KHCNMT: Khoa học công nghệ môi trƣờng
KHCN&Y/T: Khoa học công nghệ và y tế
MPPT (Maximum Power Point tracking): Dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại
PV (Photovoltaic): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng
MPP (Maximum Power Point): Điểm làm việc ứng với công suất cực đại của pin năng
lƣợng mặt trời
GP(Global peaks): Đỉnh công suất lớn nhất
P&O(Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đến điểm cực đại
DC/DC: Direct current/Direct current
xii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình thiết bị chƣng cất nƣớc ngọt hình hộp và hình tháp.................................. 4
Hình 1.2: Xe năng lƣợng mặt trời ............................................................................................ 6
Hình 1.3: Helios UAV trong chuyến bay sử dụng năng lƣợng mặt trời. ................................. 6
Hình 1.4: Công viên quang điện Lieberose 71,8 MW tại Đức ................................................ 7
Hình 1.5: Các PS10 tập trung ánh sáng mặt trời từ cánh đồng heliostats ............................... 8
trên một tháp trung tâm ............................................................................................................ 8
Hình1.6: Bát năng lƣợng mặt trời tại Auroville, Ấn Độ. ......................................................... 9
Hình 1.7: Khử trùng nƣớc năng lƣợng mặt trời ..................................................................... 10
Hình 1.8: Hệ thống nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời.............................................................. 10
Hình 2.1: Cấu trúc của mặt trời ............................................................................................. 15
Hình 2.2: Dải bức xạ điện từ .................................................................................................. 17
Hình 2.3: Cấu trúc của pin năng lƣơng Mặt trời .................................................................... 18
Hình 2.4: Ảnh của Alexandre Edmond Becquere................................................................. 19
Hình 2.5: Quá trình tạo một panel pin mặt trời ..................................................................... 21
Hình 2.6: Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời ........................................................... 21
Hình 2.7: Cấu tạo của một phần tử pin mặt trời .................................................................... 22
Hình 2.8: Cấu tạo của một tấm pin năng lƣợng Mặt trời ...................................................... 22
Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời .......................................................................... 23
Hình 2.10: Hệ thống 2 mức năng lƣợng trong đó E1 < E2 .................................................... 23
Hình 2.11. Các vùng năng lƣợng ........................................................................................... 24
Hình 2.12: Đƣờng đặc tính làm việc V-1 của pin mặt trời .................................................... 28
Hình 2.13: Sơ đồ tƣơng đƣơng của pin mặt trời .................................................................... 29
Hình 2.14: Đƣờng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cƣờng độ bức xạ Mặt trời.............. 29
Hình 2.15: Đƣờng cong đặc tính V-I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ ..................... 30
xiii
Hình 2.16: Đƣờng đặc tính tải của pin mặt trời .................................................................... 30
Hình 2.17: Đặc tính I-V với bức xạ thay đổi, quỹ đạo của điểm công suất cực đại (25oC) . 32
Hình 2.18: Đặc tính I-V với bức xạ thay đổi, quỹ đạo của điểm công suất cực đại (50oC) .. 32
Hình 2.19: Lƣu đồ giải thuật P&O......................................................................................... 33
Hình 2.20: Đặc tính công suất – điện áp của pin ................................................................... 33
Hình 2.21: Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần........................... 34
Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý mạch boost ................................................................................ 36
Hình 2.23: Mạch điện khi S đóng .......................................................................................... 37
Hình 2.24: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng. ............................ 37
Hình 2.25: Mạch điện khi S mở ............................................................................................. 38
Hình 3.26: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở ............................................... 38
Hình 2.27: Cấu tạo của động cơ điện ..................................................................................... 40
Hình 2.28 : Cấu tạo của đầu bơm .......................................................................................... 40
Hình 2.29: Nguyên lý hoạt động khi hút ............................................................................... 42
Hình 2.30: Nguyên lý hoạt động khi đẩy ............................................................................... 42
Hình 2.31: Điểm làm việc của máy bơm ............................................................................... 43
Hình 2.32: Nguyên lý hoạt động của ắc qui .......................................................................... 47
Hình 2.33: Nạp điện cho ắc qui trƣớc khi sử dụng ................................................................ 48
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý bơm nƣớc sử dụng pin năng lƣợng mặt trời ............................... 52
Hình 3.2: Hình chiếu đứng, chiếu cạnh, chiếu bằng của mô hình ......................................... 53
Hình 3.3: Hình ảnh 3D của mô hình ...................................................................................... 54
Hình 3.5: Ảnh về máy bơm nƣớc........................................................................................... 57
Hình 3.6: Hình ảnh về ắc qui ................................................................................................. 59
Hình 3.7: Phần mạch điều khiển công suất............................................................................ 61
Hình 3.8: Giải thuật chƣơng trình điều khiển điện áp của mạch công suất ........................... 63
Hình 3.9: Mạch nguồn vi điều khiển ..................................................................................... 64
xiv
Hình 3.10: Cảm biến dòng ACS756-50 ................................................................................. 65
Hình 3.11: Mạch Reset cho vi điều khiển và hiển thị LCD 16x2.......................................... 66
Hình 3.12: Giản thuật hiển thị lên màn hình LCD ................................................................ 66
Hình 3.13: Mạch điều khiển Relay ........................................................................................ 67
Hình 3.14: Giản thuật điều khiển relay bơm.......................................................................... 68
Hình 3.15: Mạch điều khiển Relay 1 dùng Transistor T4(NPN) ........................................... 68
Hình 3.16: Mạch điều khiển Relay 2 dùng Transistor T5 (NPN).......................................... 70
Hình 3.17: Mạch điều khiển Relay 3 dùng Transistor T6(NPN) ........................................... 71
Hình 3.18: Sơ đồ mạch nút nhấn bơm ................................................................................... 72
Hình 3.19: Sơ đồ mạch nút nhấn tăng thời gian bơm ............................................................ 73
Hình 3.20: Sơ đồ mạch nút nhấn giảm thời gian bơm ........................................................... 73
Hình 3.21: Giản thuật điều khiển nút nhấn hẹn và không hẹn thời gian bơm ....................... 74
Hình 3.22: Bo mạch trên ........................................................................................................ 75
Hình 3.23: Bo mạch dƣới ....................................................................................................... 75
Hình 3.24: Bo mạch linh kiện ................................................................................................ 76
Hình 3.25: Mạch đã thi công xong ........................................................................................ 76
Hình 4.1: Mô hình hình bơm nƣớc sử dụng pin năng lƣợng mặt trời ................................... 80
Hình 4.2: Đấu nối tiếp hai bình ắc qui ................................................................................... 80
Hình 4.3: Liên kết giữa pin năng lƣợng mặt trời với bo mạch .............................................. 81
Hình 4.4: Liên kết giữa bo mạch với ắc qui .......................................................................... 81
Hình 4.5: Liên kết giữa bo mạch với bơm ............................................................................ 82
Hình 4.6: Bơm hoạt động ở chế độ không có hẹn thời gian .................................................. 83
Hình 4.7: Bơm hoạt động ở chế độ có hẹn thời gian ............................................................. 83
Hình 4.8: Relay 1 hoạt động LED1 bật sáng ........................................................................ 84
Hình 4.9: Relay 2 hoạt động LED2 bật sáng ........................................................................ 85
Hình 4.10: Relay 3 hoạt động LED3 bật sáng ....................................................................... 85
xv
Hình 4.11: Thực nghiệm đo điện áp đầu vào từ pin, điện áp đầu ra khi khi bơm hoạt động 86
Hình 4.12 : Thực nghiệm đo điện áp đầu vào từ pin, điện áp đầu ra khi nạp điện cho ắc qui
................................................................................................................................................ 87
Hình 4.13: Thực nghiệm thực tiễn khi bơm nƣớc tƣới cho hoa màu .................................... 90
xvi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số điện áp nạp của ắc qui. .......................................................................... 48
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của pin năng lƣợng mặt trời. ................................................... 56
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của máy bơm nƣớc. ................................................................ 57
Bảng 4.1: Thực nghiệm đo điện áp đầu vào từ pin và điện áp đầu ra khi khi bơm hoạt động.
................................................................................................................................................ 86
Bảng 4.2: Thực nghiệm đo điện áp đầu vào từ pin và điện áp đầu ra khi nạp điện cho ắc qui.
................................................................................................................................................ 88
Bảng 4.3: Chi phí gia công mô hình. ..................................................................................... 90
xvii
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1 Tồng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Cùng với sự phát triển mạnh về công nghiệp, sự tăng trƣởng mạnh về kinh tế kéo theo
nhu cầu sử dụng năng lƣợng điện trên toàn cầu nói chung và ở Việt Nam nói riêng tăng lên
khá nhanh. Hiện nay các nguồn năng lƣợng hóa thạch hiện đang khai thác nhƣ dầu mỏ, khí
đốt, khí thiên nhiên, than đá, là các nguồn năng lƣợng chủ yếu[1]. Các nguồn năng lƣợng này
ngày càng cạn kiệt và việc khai thác không đúng quy hoạch dẫn đến hậu quả về môi trƣờng,
phá vỡ cân bằng sinh thái của tự nhiên, ô nhiễm bầu không khí làm “thủng tầng ozone của
bầu khí quyển”, gây hiệu ứng nhà kính, lũ lụt, hạn hán, sóng thần, mƣa axit hoặc sƣơng mù.
Do đó vấn đề đặt ra là cần phải khai thác đúng quy hoạch và phải tìm ra một nguồn năng
lƣợng mới để thay thế các nguồn năng lƣợng hóa thạch để đảm bảo nhu cầu cung cấp đủ
năng lƣợng trong tƣơng lai với công suất lớn[2].
Để giải quyết những vấn đề cấp bách trên thì xu hƣớng của toàn thế giới trong nhƣng
năm qua và định hƣớng trong tƣơng lai là sẽ tăng cƣờng khai thác các nguồn năng lƣợng
sạch, có tiềm năng lớn và dồi dào trong tự nhiên nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió,
năng lƣợng nƣớc biển, khí đốt biogas[2]. Trong đó năng lƣợng mặt trời đang ngày càng phổ
biến vì chúng có nhiều ƣu điểm cho phƣơng pháp phát điện nhƣ:
- An toàn cho ngƣời sử dụng.
- Không gây ô nhiễm môi trƣờng.
- Đây là nguồn năng lƣợng vô tận và không bao giờ hết.
Năng lƣợng mặt trời là năng lƣợng đƣợc tạo ra từ ánh sáng mặt trời, nguồn năng lƣợng
này có thể đủ và gần nhƣ vô tận đối với nhu cầu của con ngƣời, không gây ra ô nhiễm môi
trƣờng[3].
Ở Việt Nam do vị trí địa lý nằm gần đƣờng xích đạo, tính từ vĩ độ 23023’ Bắc đến
8027’ Bắc, nên Việt Nam nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao
đều này đã tạo ra cho Việt Nam có đƣợc một nguồn năng lƣợng tái tạo là năng lƣợng mặt
trời vô cùng to lớn[4]. Theo các nhà nghiên cứu trên thế giới thì số giờ nắng trung bình ở
Việt Nam trong một ngày khoảng 6-8 giờ, Số giời nắng trong năm ở phía Bắc là 1600 giờ
và ở miền Nam là 2600 giờ. Nhƣ vậy cƣờng độ bức xạ mặt trời trung bình mỗi ngày trong
1
S
K
L
0
0
2
1
5
4
