hệ thống tưới cây tự động 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 (6.78 MB, 61 trang )
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ của các thầy, cô giảng
viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ
Cần Thơ đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm tôi học tậpvà rèn luyện
tại trường. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền
tảng cho quá trình nghiên cứu để tài, mà còn là hành trang quý báu để tôi bước vào
đời một cách vững chắc và tự tin.
Đặc biệt, để hoàn thành đề tài nghiên cứu vể “HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ
ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu
sắc đến giảng viên Th.s Đường Khánh Sơn, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá
trình làm tiểu luận tốt nghiệp.
Cuối cùng tôi kính chúc quý thầy, cô giảng viên dồi dào sức khỏe và thành
công trong sự nghiệp cao quý.
Cần Thơ, Ngày
Tháng
Năm 2018
Sinh Viên Thực Hiện
Huỳnh Quốc Trưỡng
ii
MỤC LUC
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI....................................................................1
2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI...................................................................................1
3. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU....................................................2
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN ĐỀ TÀI.........................................2
5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI............................................................................................3
NỘI DUNG...............................................................................................................4
CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI................................................................4
1.1
KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG.............................4
1.2
THỰC TIỄN ÁP DỤNG CỦA ARDUINO VÀO ĐỀ TÀI........................5
1.3
KHÁI NIỆM, NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG.
……………………………………………………………………………5
1.3.1 Tổng quan về thiết kế một hệ thống tưới................................................5
1.3.2 Thiết kế hệ thống tưới.............................................................................6
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO
HỆ THỐNG...........................................................................................................9
2.1 LỊCH SỬ CỦA PIN MẶT TRỜI.................................................................9
2.2 KHÁI QUÁT VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI..................................10
2.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI Si...................13
2.4 VẬT LIỆU TRÔNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC LOẠI PIN MẶT
TRỜI................................................................................................................. 17
2.5 TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG CHO HỆ PIN MẶT TRỜI............................19
2.6 ỨNG DỤNG...............................................................................................20
2.7 LỢI ÍCH CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI......................................20
2.8 ỨNG DỤNG CẤP NGUỒN CHO ĐỀ TÀI................................................21
CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................22
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀARDUINO........................................................22
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
iii
MỤC LUC
3.2 BOARD ARDUINOMEGA2560................................................................23
3.3 LCD 16x2 HD44780VÀ GIAO TIẾP I2C..................................................28
3.4 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT..........................................................................31
3.5 CẢM BIẾN NGHIỆT ĐỘ LM35................................................................34
3.6 Module 2 Relay Kích H/L (12VDC)...........................................................36
3.7 MẠCH GIẢM ÁP 5V 3A 2 CỔNG USB....................................................37
3.8 MẠCH ỔN ÁP LM2596S...........................................................................37
3.9 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI..............................................................39
3.10 BỘ NẠP ẮC QUY TỰ ĐỘNG 12V - MODEl HKSL8686......................39
3.11 ẮC QUY...................................................................................................42
3.12 BƠM TĂNG ÁP MINI 12VDCƠM..........................................................44
TĂNG ÁP MINI 1...................................................................................................44
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH,LẮP ĐẶT MẠCH THỰC TẾ..............46
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG CỦA HỆTHỐNG...................................................46
4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG CÀI ĐẶT CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN
ĐỘ ẨM ĐẤT,ĐIỀU KHIỂN ĐÓNG NGẮT ĐỘNG CƠ.................................46
4.2.1 Giao diện IDE.......................................................................................46
4.2.2 Code.....................................................................................................47
4.2.3 Lắp dặt mạch thực tế............................................................................51
CHƯƠNG V. TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................54
5.1 TỔNG KẾT................................................................................................54
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.......................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................55
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Hệ thống tưới phun sương tự động trong nhà lưới………………………....4
Hình 1.2: Cách tính toán đương ống……………………………………………………..7
Hình 2.1: Pin năng lượng mặt trời được ứng dụng cung cấp nguồn điện cho hộ gia
đình…………………………………………………………………………………………….9
Hình 2.2:Một tế bào quan điện…………………………………………………………..11
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của pin mặt Trời……………………………………...13
Hình 2.4: Cấu tạo một modun pin mặt Trời……………………………………………17
Hình 2.5: Pin năng lượng mặt trời cấp nguồn…………………………………………21
Hình 3.1: Những thành viên khởi xướng Arduino……………………………………..22
Hình 3.2: Board Arduino Mega………………………………………………………….23
Hinh 3.3: Sơ đồ nguyên lý của boar Arduino mega 2560…………………………….24
Hình 3.4:LCD 16x2………………………………………………………………………..29
Hình 3.5: I2C……………………………………………………………………………….31
Hình 3.6: Cảm biến độ ẩm của đất………………………………………………………
32
Hình 3.7: Sơ đồ mạch nguyên lý…………………………………………………………33
Hình 3.8: LM35…………………………………………………………………………….34
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý……………………………………………………..
………….35
Hình 3.10: Relay thực
tế…………………………………………………………………..36
Hình 3.11:Mạch giảm áp 5V 3A 2 cổng USB…………………………………………..37
Hình 3.12: Mạch ổn áp LM2596S……………………………………………………….38
Hình 3.13: Pin năng lượng mặt
trời……………………………………………………..39
Hình 3.14: Model HKSL8686…………………………………………………………….40
Hình 3.15: Biểu đồ nạp của bộ nạp HKSL8686……………………………………….41
Hình 3.16: Ắc quy thực tế…………………………………………………………………
42
Hình 3.17: Mô tơ 12v DC…………………………………………………………………
44
Hình 4.1: Sơ đồ hệ
thống………………………………………………………………….45
Hình 4.2: Giao diện IDE của
Arduino…………………………………………………..46
Hình 4.3: Nguyên liệu chuẩn bị………………………………………………………….50
Hình 4.4: Kết nối thử nghiệm…………………………………………………………….51
Hình 4.5: Bộ điều
khiển…………………………………………………………………...51
Hình 4.6: Cấu trúc bên trong bộ điề khiển……………………………………………..52
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 4.7: Mô hình và hiển thị giá trị……………………………………………………52
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
v
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Hiệu suất lý thuyết của một số vật liệu pin mặt Trời……………………..18
Bảng 2.2: Các vật liệu trong công nghệ pin mặt trời màng mỏng…………………..18
Bảng 3.1:Chi tiết thông số…………………………………………………………24
Bảng 3.2 : Chức năng các chân của LCD………………………………………….29
Bảng 3.3: Thông số pin năng lượng mặt trời……………………………………...39
Bảng 3.4: Thông số bộ nạp HKSL8686…………………………………………...42
Bảng 3.5: Cách nạp ắc quy………………………………………………………...42
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật ắc quy……………………………………………….43
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
vii
MỞ ĐẦU
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Page | 1
Nhìn chung vào thực trạng Việt Nam vẫn là quốc gia có nền khinh tế nông
nghiệp là chủ lực và có một số loại nông sảng đứng hàng đầu thế giới, nhưng chưa
có nhiều ứng dụng khoa học kỹ thuật được áp dụng vào thực tế. Rất nhiều quy trình
kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo
được đúng yêu cầu làm cho chất lượng sản phẩm nông sản không được ổn định.
Chính vì thế cần đẩy mạnh áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản suất nông
nghiệp. Riêngđối với ngành nông nghiệp trồng trọtnhững kỹ thuật trồng và chăm
sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất, để đảm bảo cây sinh
trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu của cây trồng
sẽ hạn chế sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất,
hiệu quả cao.
Mặt kháctrong bối cảnh Việt Nam ngày càng hội nhập kinh tế quốc tế sâu và
rộng, thì đồi hỏi sản phẩm nông sản phải chất lượng và đạt chuẩn xuất khẩu ra thị
trường quốc tế. Các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức
lao động củacon người. Vì vậy thiết bị tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
đưa vàothực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều. Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm
đất và độ ẩm không khí cho cây trồng phát triển tốt.
Với hệ thống này, việc tínhtoán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước, gười
lao động sẽ không cầnphải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng và
phát triển ổn định hơn.
2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhận thấy nhu cầu về xu hướng áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào
ngành nông nghiệp ở Việt Nam đang được chú trọng, nên bản thân tôi trong quá
trình được đào tạo ngành tự động hóa muốn kết hợp phát triển với nền kinh tế thế
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
1
MỞ ĐẦU
mạnh là nông nghiệp của nước ta và đã nghiên cứu đưa ra đề tài “HỆ THỐNG
TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”
“Hệ thống tưới cây tự động sử dụng pin năng lượng mặt trời” được nghiên
Page | 2
cứu thiếc kế nhằm đáp ứng nhu tạo ra môi trường sống phù hợp và ổn định nhất để
cây sinh trưởng, phát triển tốt. Đồng thời hệ thống sử dụng pin năng lượng mặt trời,
một nguồn năng lượng sạch, phù hợp với điều kiện tại Việt Nam và cũng là nguồn
năng lượng được nhiều quốc gia phát triển trên thế giới ứng dụng.
3. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
“HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI” khi được hoàn thành sẽ đáp ứng được nhu cầu áp dụng khoa học kỹ
thuật vào nông nghiệp trồng trọt. Giúp nâng cao sản lượng, chất lượng, gia tăng giá
trị kinh tế và để khẳng định vai trò quan trọng nhất của nghành nông nghiệp tại Việt
Nam. Tạo điều kiện để người nông dân nâng cao trình độ, biết áp dụng sự tiến bộ
của khoa học trong canh tác. Hạn chế thời gian, giảm công lao động, giảm di sự vất
vã của người nông dân. Đồng thời tiếp tục nghiên cứu chế tạo hệ thống giá thành
thấp, cách sử dụng không quá phức tạp.
Đề tài được nghiên cứu tại Đồng Bằng Sông Cửu Long, Khi nơi đây dẫn đầu
nước về sản xuất nông nghiệp trồng trọt và cũng là nơi có nhu cầu rất lớn khi áp
dụng công nghệ tự động vào tưới cây.
Về mặt thời gian nghiên cứu đề tài cho đến hoàn thành sản phẩm là một quá
trình chuẩn bị khá kỉ lưỡng, phải hội đủ mọi điều kiện từ nhiều giai đoạn và phải
mất khá nhiều thời gian.
Đề tài này được nghiên cứu và áp dụng tại khu vực Đồng Bằng Sông Cửu
Long. Nhưng nếu hệ thống này được nghiên cứu thành công và hoàn thiện, thì sẽ
sản xuất đại trà để cung cấp cho nhu cầu rất lớn ở nhiều quốc gia có. Bởi vì, điều
kiện ở nhiều quốc gia khác tương đối giống với điều kiện tự nhiên tại Đồng Bằng
Sông Cửu Long (Việt Nam).
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
2
MỞ ĐẦU
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN ĐỀ TÀI
Đề tài “HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI” sẽ áp dụng công nghệ của khoa học kỹ thuật tiên tiến vào nông nghiệp
Page | 3
trồng trọt, tạo nên mối liên kết giữa hai lĩnh vực cùng nhau phát triển.
Thực hiện đề tài này, sẽ tạo điều kiện cho bản thân có cái nhìn tổng quang hơn
khi đi từ lý thuyết trên sách vở so với thực tiển thí nghiệm mô hình cụ thể và từ đó
tôi có thể vận dụng linh hoạt tất cả các kiến thức đã học một cách có hiệu quả từ
nghành "Công Nghệ Kĩ Thuật Điều Khiển vàTự Động Hóa".
5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN
CHO HỆ THỐNG
CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG VI:THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH,LẮP ĐẶT MẠCH THỰC TẾ
CHƯƠNG V: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng
3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
NỘI DUNG
CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Page | 4 1.1
KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG.
Hình 1.1: Hệ thống tưới phun sương tự động trong nhà lưới
Tại một số địa phương đã canh tác một số loại cây, hoa, rau có giá trị kinh tế
mô hình tự động đáp ứng điều kiện kinh tế, môi trường của nước ta. Thực tế trong
cuộc sống ngày càng bận rộn, nhiều người vẫn có thú vui là trồng những cây cảnh,
vườn rau trong không gian trống của nhà mình như sân thượng, ban công. Tuy
nhiên, trong những lúc bạn bận các công việc hằng ngày thì những cây cảnh và
vườn hoa ở nhà sẽ không được tưới nước.
Nhìn chung, các phương pháp tưới có dùng ống đều có cùng nguyên lý tính ta
sẽ tính toán đường kính ống chính, ống phụ, ống nhánh, vận tốc nước chảy trong
ống, áp lực nước trong ống; tính toán chiều dài của các loại ống, các chi tiết nối (co,
tê, van, nối,.vv..), số lượng các bét phun, bét đế chân, ống dẫn đến gốc .vv..và cuối
cùng là lập bảng tổng hợp số luợng các loại vật tư, tính toán chí ít mua vật tư, tiền
công xây lắp. vv..
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.2
THỰC TIỄN ÁP DỤNG CỦA ARDUINO VÀO ĐỀ TÀI.
Ứng dụng của Arduino về mô hình hệ thống tự động. Sử dụng cảm biến đo độ
ẩm của đất và nhiệt độ môi trường kết nối với một Arduino và điều khiển động cơ
Page | 5 tạo ra hệ thống tưới tự động. Tất cả mọi việc đều tự động diễn ra trong quá trình cài
đặt sẵn và qua các cảm biến để điều tiết việc tưới cây hợp lí trong mọi thời tiết. Từ
ví dụ thực tiễn cùng với sự giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn, Tôi đã lựa chọn và
phát triển đề tài theo hướng sử dụng kid Arduino để thực hiện đề tài của mình. Với
hệ thống này đáp ứng được yêu cầu của việc tưới cây trồng tự động với con người
không còn là vấn đề nang giải nữa. Một hệ thống trồng thông minh đáp ứng về thời
tiết kết hợp việc cài đặt độ ẩm đất và nhiệt độ phù hợp cây trồng tất cả chỉ trong một
thiết bị vi điều khiển arduino. Hợp với người bận công việc, phù hợp với việc sản
xuất nông nghiệp cao đưa ra chất lượng cây trồng tốt. Một số ứng dụng cụ thể áp
dụng qua đề tài : Tưới phun sương cho cây lan, tưới phun tia mưa cho hoa cúc, tưới
tia cho vườn ươm .... Các hình ảnh ứng dụng thực tế nhà cây trồng hình 1.1.
1.3
KHÁI NIỆM, NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG.
Thiết kế hệ thông tưới cây tự động đòi hỏi phải có một số thông tin về các vật
tư thiết bị, về bộ vi xử lí, các bộ cảm biến, bộ điều khiển đóng cắt...Vậy nên việc đặt
ra bài toán thiết kế là rất cần thiết.
1.3.1 Tổng quan về thiết kế một hệ thống tưới.
Để thiết kế hệ thống tưới nước cho cây trồng, cần quan tâm đến các vấn đề
sau:
– Hình dạng vùng tưới.
– Diện tích vùng tưới.
– Số cây cần cung cấp nước tưới
– Nhu cầu nước của loại cây trồng/đơn vị thời gian (lít/ngày).
– Địa hình khu tưới.
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Để xác định hình dáng, diện tích vùng tưới, không có cách nào khác hơn là
phải đo đạc. Khoảng cách giữ các cây cũng là yếu tố tạo nên chất lượng yêu cầu đề
ra. Khoảng cách cũng tạo ra sự chênh lệch lượng nước tới nếu không đều chênh
Page | 6 lệch cũng cao tạo sản phẩm kém. Với diện tích to quy hoạch lớn chúng ta nên đo
chính xác vừa đủ với lưu lượng nước chúng ta cần tưới phù hợp với công suất bơm.
* Khi đã có “cái nền” là hình dáng, diện tích ta bắt đầu phát họa sơ đồ bố trí cây
trồng.
1.3.2 Thiết kế hệ thống tưới.
a) Xác định lần tưới nhu cầu nước/lần tưới và khả năng cung cấp nước:
Tùy thuộc loại cây trồng, ta xác định lần tưới và nhu cầu nước cho mỗi lần tưới.
Số lần tưới phụ thuộc vào đặc tính của loài cây trồng và khả năng giữa ẩm của
đất.Ta chỉ cần tính toán gần đúng thông số về lần tưới dùng để tính toán nguồn
nước.
Trong sản xuất, sẽ dựa vào thực tế đất đai, thời tiết để điều chỉnh số lần tưới cho
phù hợp.Nhu cầu nước/lần tưới là thông số quan trọng để tính toán, thiết kế hệ
thống tưới và tính toán nguồn nước.Chuyên ngành thủy lợi có bảng tra nhu cầu
nước cho các loại cây trồng/vụ hoặc ngày hoặc có thể tra nghiên cứu trên mạng;
tuy nhiên, người trồng cũng có nhiều kinh nghiệm thực tế để xácđịnh nhu cầu
nước tưới cho mỗi loại cây trồng.
Trong thực tế, nhu cầu nước của cây trồng ít hơn nhiều so với lượng nước ta
cung cấp; do vậy mà lượng nước tưới tùy thuộc vào phương pháp tưới.Thông
thường nhu cầu nước tưới cho một cây cần tưới giao động từ 5-10 lít (tưới nhỏ
giọt); 15-20 lít (tưới phun tia) 30 đến 40 lít nước (tưới rãnh, tưới phun mưa). Từ
xác định
được nhu cầu nƣớc của cây cho mỗi lần tưới, số lần tưới/tháng, số tháng cần
tưới, ta xác định được nhu cầu nguồn nước tưới.
b) Phân chia khu tưới:
Nếu bạn chỉ tưới cho diện tích nhỏ trở lại thì chỉ là 1 khu tưới; nhưng nếu diện
tích tưới lớn hơn phải phân chia vùng tưới thành nhiều khu tưới. Nếu chia khu tưới
quá lớn, công suất máy bơm và đường kính ống dẫn nước chính sẽ tăng lên rất lớn
dẫn đến không có hiệu quả kinh tế. Khi phân chia khu tưới, bạn phải lên bản vẽ thể
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
hiện rõ hình dáng, diện tích từng khu tưới, kích thước các cạnh của khu tưới, vẽ các
hàng cây và chiều dài mỗi hàng cây, từ đây ta sẽ tính được số lượng cây trồng trong
Page | 7
mỗi khu tưới, tính ra đường kính, chiều dài của đường ống chính.
c)Tính toán đường ống chính:
Hình 1.2: Cách tính toán đương ống
Đường ống chính tải nước tưới đến từng khu tưới và cho cả vùng tưới, do đó,
ta phải tính toán được chiều dài và đường kính ống phù hợp và cả áp lực để chọn
loại ống phù hợp (lớn quá sinh thừa – tốn tiền vô ích, ống nhỏ quá không cung cấp
đủ nước cho khu tưới, ống kém dễ hỏng dẫn đến tốn kém…).
Ngoài ra, ta cần tính vị trí lắp đặt đường ống chính và chuyển nó lên bản vẽ.
Thông thường nếu khu tưới có địa hình thấp dần thì ta bố trí đường ống chính đi
theo
cạnh có cao độ lớn nhất của khu tưới, nhờ đó khi xả nước ra khỏi đường ống chính,
nước sẽ có khuynh hướng chảy từ nơi cao đến nơi thấp tới có lợi về năng lượng.
Nếu đất tương đối bằng phẳng hoặc gợn sóng nhô cao ở giữa đồng đất thì nên bố trí
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
7
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
đường ống chạy dọc theo các đỉnh cao xuyên qua đồng đất để chia nước tưới về hai
phía.
+ Tính chiều dài đường ống chính: Dùng thước kẻ ly đo tổng chiều dài đường ống
Page | 8
chính trên bản vẽ, nhân với tỷ lệ bản vẽ để xác định tổng chiều dài thực của đường
ống chính.
+ Tính toán đường kính của đường ống chính: Để tính toán được kích thước của
đường ống chính ta cần xác định tổng nhu cầu nước tưới cho một lần tưới cho khu
tưới lớn nhất của vùng tưới.
+Căn cứ vào chiều dài của mỗi hàng ta tính được số cây/hàng bằng công thức:
Số cây/hàng= chiều dài hàng chia cự ly trồng (cây cách cây) +1
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
8
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN
CHO HỆ THỐNG
Page | 9
Hình 2.1: Pin năng lượng mặt trời được ứng dụng
cung cấp nguồn điện cho hộ gia đình.
2.1 LỊCH SỬ CỦA PIN MẶT TRỜI.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật
lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại
phòng nghiên cứu của cha. Willoughby Smith nhắc đến phát minh này trong một
bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature. Tuy nhiên cho
đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ
lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ
có hiệu suất 1%. Năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra
tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich
Hertz trước đó vào năm 1887.
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
9
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
Albert Einstein đã giải thích được hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công
trình đã giúp ông giành giải Nobel vật lý năm 1921.
Vadim Lashkaryov phát hiện ra phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát vào
Page | 10
năm 1941.
Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt trời đầu tiên
năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả
năng cảm nhận ánh sángcủa pin.
Pin mặt trời đầu tiên có khả năng ứng dụng được ra mắt vào 25/4/1954 tại Bell
Laboratories bởi Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson.
Pin mặt trời bắt đầu được quan tâm đặc biệt khi kết hợp với vệ tinh Vanguard I
năm 1958.
2.2 KHÁI QUÁT VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
a) Khái niệm
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 dẫncó 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. 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). Tế bào quang điện có khả
năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được
dùng như cảm biến ánh sáng, cảm biến hồng ngoại, hoặc các phát xạ điện từ gần
ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
10
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
Page | 11
Hình 2.2:Một tế bào quan điện
b) Giai đoạn hoạt động của pin
Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp
electron-hole trong chất bán dẫn.
Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất
bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin
mặt trời.
Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.
c) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt Trời.
Pin năng lượng mặt Trời (hay Pin mặt Trời) có cấu tạo cũng khá đơn giản.
Gồm một lớp tiếp xúc bán dẩn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
mặt Trời thành năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.
Pin mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt
Trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẩn Silicon (Si) có hóa trị 4. Từ tinh thể Si
tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẩn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là
Photpho (P) có hóa trị 5. Còn để có vật liệu bán dẩn tinh thể loại p thì tạp chất
Accetor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin mặt Trời từ vật liệu
tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng
0,55V, còn
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
11
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ mặt Trời 1000W/m 2 vào khoảng (25 ÷ 30)
mA/cm2. Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các loại pin mặt Trời bằng vật
liệu Si vô định hình (a-Si). Pin mặt Trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu
Page | 12 trong sản xuất do đó có thể có gía thành rẻ hơn. Tuy nhiên, so với pin mặt Trời tinh
thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làmviệc.
Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có
nhiều hứa hẹn như hệ bán dẩn hợp chất bán dẩn nhóm III – V, Sunfit cadmi-đồng
(CuCdS), Galium-Arsenit (GaAs),…Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu chế tạo và
sử dụng các pin mặt Trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và quy mô thí
nghiệm.
Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt
Trời là thiết kế, chế tạo các pin mặt Trời gồm một số lớp pn để tăng cường khả năng
hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ mặt Trời.
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
12
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
Page | 13
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của pin mặt Trời
2.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI SI.
Hiện nay, khoảng 90% các pin mặt Trời được sản xuất và ứng dụng là các pin
mặt Trời từ vật liệu silicon (Si) dưới dạng đơn tinh thể, hoặc đa tinh thể hoặc vô
định hình nhưng chủ yếu là dạng tinh thể. Vì vậy dưới đây ta chỉ nghiên cứu công
nghệ chế tạo pin mặt Trời tin thể Si.
Quá trình công nghệ này bao gồm 6 công đoạn như sau:
Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật (độ sạch luyện kim).
Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn.
Pha tạp để có Si-n và Si-p và tạo tiếp xúc pn.
Tạo tiếp xúc điện, điện cực, lớp chống phản xạ.
Tạo module, kiểm tra, phân loại.
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
13
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
Dưới đây là mô tả sơ lược về các công đoạn nói trên:
Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật.
Page | 14 Cát dùng làm vật liệu ban đầu chế tạo Si phải là cát giàu thạch anh SiO 2 (hàm lượng
SiO2 vào khoảng 90% hoặc cao hơn). Trong lò hồ quang nhiệt độ cao, SiO 2 được
cho phản ứng với cacbon (C) để cho silicon (Si) có độ sạch kỹ thuật theo phản ứng:
SiO2 + 2C
→
Si + 2CO
Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẩn.
Có ba công nghệ chính để làm sạch Si đến độ sạch bán dẫn:
+ Quá trình silan;
+ Quá trình silicon fluorid;
+ Quá trình trichlorsolan;
Sản phẩm thu được của các công nghệ này là vật liệu đa tinh thể gồm các hạt
đơn tinh thể Si nhỏ.
Tạo đơn tinh thể Si.
Có thể tạo đơn tinh thể Si dưới dạng thanh (thỏi), dạng tấm hoặc dạng băng.
Các công nghệ chế tạo đơn tinh thể được dùng phổ biến là công nghệ Czochralski,
công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt.
Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si.
Đầu tiên ta phải cắt gọt thỏi Si để nó có hình dạng trụ đồng đều, thường có
đường kính D = 7,5 ÷ 10 cm. Sau đó dùng cưa diamond, cưa dây hoặc tia laser cắt
thỏi thành các phiến hình đũa tròn có chiều dày cỡ 0,3 ÷ 0,5 mm và sau đó mài nhẵn
và làm sạch bề mặt các phiến bằng phương pháp ăn mòn hóa học để khử các khuyết
tật bề mặt do quá trình cưa cắt gây ra. Do các công nghệ chế tạo nói trên còn rất
nhiều nhược điểm như: hao tinh thể, nhiều công đoạn,…Vì vậy ta nên sử dụng các
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
14
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
công nghệ sau để đạt được hiệu quả cao hơn: Kỹ thuật “kéo” tấm đơn tinh thể bằng
khuôn.
Tạo lớp tiếp xúc pn.
Page | 15
Có hai phương pháp điển hình để tạo lớp bán dẩn tiếp xúc pn là: khuếch tán
nhiệt, cấy ion.
Phương pháp khuếch tánnhiệt.
Từ các phiến đơn tinh thể để có được Si loại n ta dùng tạp là Photpho (P), còn
để có Si loại p dùng tạp là Bo (B). Các nguồn tạp chất có thể là rắn như các muối
P2O5, B2O3, lỏng như POCl3, BBr3, hoặc khí như: PH3,BCl3.
Sự tạo lớp tiếp xúc pn thực hiện theo định luật khuếch tán Pick. Theo định luật
này thì các nguyên tử sẽ khyếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp.
Tốc độ khuếch tán và độ sâu khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian khuếch
tán. Người ta dùng một tấm đế là Si-p được pha tạp Bo với nồng độ 10 16 nguyên tử
Bo/cm3, sau đó phủ lên tấm đế một lớp Photpho (P) và đưa vào buồng khuếch tán
có nhiệt độ khoảng 900 ÷ 9500C. Khi P khuếch tán vào tấm để tạo thành một lớp Sin có độ dày khoảng 1,2 ÷ 1,5 µm thì người ta hạ nhiệt độ để chấm dứt quá trình
khuếch tán. Lớp tiếp xúc pn là một lớp mỏng trong đó có nồng độ tạp chuyển từ P
sang B và tiếp xúc pn được xem là đặt tại biên giới mà trên đó có nồng độ P và N
bằng nhau.
Do nồng độ P ở bề mặt lớp tiếp xúc rất cao thậm chí ngay cả sau quá trình
khuếch tán, P và Si tác dụng với nhau tạo ra một lớp bề mặt được gọi là “ lớp chết”
có điện trở cao và là nguyên nhân gây ra sự tái hợp điện tử - lỗ trống, làm giảm hiệu
suất của pin quang điện. Vì vậy phải cắt bỏ lớp này đi.
Vì hơn 50% ánh sáng mặt Trời tới pin mặt Trời bị hấp thụ trước hết chỉ ở một
lớp bề mặt chiều dày 3µm ở sát bề mặt, phần còn lại của ánh sáng mặt Trời được
hấp thụ ở lớp tiếp theo có độ dày 300 µm. Vì vậy pin mặt Trời nên được chế tạo sao
cho phía trên là một lớp colector mỏng (chiều dày ≤ 3µm) và tiếp đó là một lớp đế
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
15
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
dày nhưng có độ linh động của hạt tải cao để các hạt tải có thể chuyển động về lớp
tiếp xúc pn và điện cực khi chúng được tạo ra trong miền này.
Phương pháp bắn cấy ion.
Page | 16
Các phiến Si được đặt trước các đĩa ion năng lượng cao. Tùy theo muốn chế
tạo Si-n hoặc Si-p mà người ta dùng các “đạn” ion là P hay B. Nhờ sự thay đổi
cường độ tia ion có thể thay đổi chiều sâu đâm xuyên của các ion. Bề mặt Si sau đó
phải ủ bằng tia laser hoặc tia điện tử để khử các hư hỏng bề mặt do ion bắn phá vào
mạng tinh thể ở gần bề mặt. Lớp tiếp xúc pn tạo bằng phương pháp cấy ion không
khác gì nhiều so với tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt. Chiều sâu của lớp pn
vào cở 0,25 µm. Mật độ các tạp chất biến đổi từ 10 16 nguyên tử/cm3 ở lớp tiếp xúc
đến 1021 nguyên tử/cm3 tại bềmặt.
Tạo lớp tiếp xúc Ohmic.
Vật liệu làm điện cực tiếp xúc phải có độ dẫn tốt và vừa phải bám dính tốt
bán dẫn. Ngoài ra đối với điện cực như mặt trên cần phải thiết kế sau cho ánh sáng
mặt Trời có thể đến được lớp tiếp xúc pn. Cần phải điều hòa giữa vấn đề che sáng
và điện trở của điện cực.
Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng.
Si chưa xử lý phản xạ đến 30% ánh sáng tới. Một lớp chống phản xạ như SiO 2
có thể làm giảm phản xạ xuống 10%. Nếu dùng hai lớp chống phản xạ thì có thể
làm giảm phản xạ xuống dưới 3%. Các vật liệu dùng làm vật liệu chống phản xạ là
SiO2, TiO2 và Ta2O5. Công nghệ bốc hơi trong chân không là công nghệ thích hợp
để tạo lớp chống phản xạ.
Đóng gói các pin mặt Trời thành modun.
Các pin mặt Trời sẽ phải làm việc ở điều kiện ngoài trời lâu dài. Vì vậy để bảo
vệ các lớp tiếp xúc và dây nối, bảo vệ vật liệu cách điện và do đó muốn tăng tuổi
thọ pin mặt Trời ta cần phải đóng kín pin mặt Trời trong các vật liệu trong suốt. Tất
nhiên không thể đóng gói từng pin mà ta có thể đóng gói nhiều pin để tạo thành một
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
16
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
modun (tấm) pin mặt Trời. Khi đóng gói ta cần chú ý là phải lựa chọn các pin hoàn
toàn hoặc gần hoàn toàn giống nhau về các đặc trưng quang điện và cơ học để xếp
vào một modun.
Page | 17
Hình 2.4: Cấu tạo một modun pin mặt Trời.
(Ghi chú: EVA là: Ethylene Vinyl Acetate.)
2.4 VẬT LIỆU TRÔNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC LOẠI PIN MẶT
TRỜI.
Các loại vật liệu cho pin mặt Trời.
Thông số quan trọng ảnh hưởng đến biến đổi hiệu suất biến đổi quang điện
của một vật liệu pin mặt Trời là độ rộng vùng cấm của nó. Lý thuyết và thực
nghiệm đã cho thấy rằng, để có hiệu suất η ≥ 8% thì độ rộng vùng cấm của vật liệu
phải ở trong khoảng 1 eV ÷ 1,6Ev.
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
17
CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG
Bảng 2.1: Hiệu suất lý thuyết của một số vật liệu pin mặt Trời.
Năng lượng
Page | 18
Hiệu suất lý thuyết cực đại (%)
Vật liệu
vùng cấm (eV)
Indi diselenid (CuInSe2)
1,04
13
Cadmi Sulfid (CdS)
2,6
18
Silicon (Si)
1,1
22
Cadmi Tellurid (CdTe)
1,4
25
Indi Photphorid (InP)
1,2
26
Gali Arsenid (GaAs)
1,4
27
Al Antimonid (AlSb)
1,6
27
Vật liệu cho pin mặt Trời màng mỏng (pin mặt Trời vô định hình).
Vật liệu dùng trong chế tạo pin mặt Trời màng mỏng là những vật liệu có
thể trực tiếp chế tạo được các pin có chất lượng cao, nhưng những phương pháp chế
tạo này đòi hỏi phải có các xử lý phụ kèm và công nghệ phức tạp như: ủ ở nhiệt độ
cao, ủ trong môi trường khí đặc biệt,…
Bảng 2.2: Các vật liệu trong công nghệ pin mặt trời màng mỏng
Vùng cấm
Loại độ
Vùng cấm
Vật liệu
Loại độ dẩn
Vật liệu
Eg(eV)
dẩn
a-Si
1,7
p-i-n
Cd(Se,Te)
1,5 ÷ 1,7
p/n
a-(Si,Ge)
1,3 ÷ 1,7
p-i-n
ZnTe
2,26
p
a-(Si-,C)
1,7 ÷ 2,2
p-i-n
ZnSe
2,4
n
CuInSe2
1,04
p/n
Zn(Te,Se)
2,2 ÷ 2,4
p/n
CuGaSe2
1,68
p
WSe2
1,3
p/n
Cu(In, Ga)Se2
1,04 ÷ 1,68
p/n
FeS2
0,8
p/n
SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng
Eg(eV)
18
