Mô hình tự động điều khiển pin mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.52 MB, 51 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG
TÀU BỘ MÔN– ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài
MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
PIN MẶT TRỜI
Họ và tên GVHD
: ThS.Phạm Ngọc Hiệp
Họ và tên SVTH
: Nguyễn Minh Triều
Mã số sinh viên
: 16032261
Chuyên ngành
: Điện dân dụng và công nghiệp
Lớp
: DH16DC
Vũng Tàu, tháng 4 năm 2020
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
LỜI CÁM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Phạm Ngọc Hiệp,người đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại Học Bà
Rịa Vũng Tàu nói chung, các thầy cô trong Bộ Môn Điện-Điện tử nói riêng đã
dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành,
giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong
suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
đồ án tốt nghiệp.
Vũng Tàu, ngày 22 tháng 04 năm 2020
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Minh Triều
.
.
.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 2 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
1.Thái độ tác phong và nhận thức trong quá trình thực hiện đồ án:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
2.Hình thức, thể thức trình bày đồ án:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
3. Kiến thức chuyên môn:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
4.Đánh giá khác:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
5.Đánh giá kết quả:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
ThS. Phạm Ngọc Hiệp
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 3 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1..................................................................................................................................5
TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI
(Tracking Solar)........................................................................................................................... 5
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................... 5
1.2. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài.......................................................................5
1.3. Phạm vi nghiên cứu...........................................................................................................8
1.4. Mục tiêu và giới hạn của đề tài......................................................................................... 8
CHƯƠNG 2..................................................................................................................................9
PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER..........................................................................9
2.1. Yêu cầu bài toán................................................................................................................9
2.2. Giải pháp thiết kế.............................................................................................................. 9
2.3. Sơ đồ khối và chức năng các khối...................................................................................11
2.4. Lựa chọn linh kiện...........................................................................................................12
2.5. Lựa chọn linh kiện khối cảm biến...................................................................................20
2.6. Bộ điều khiển sạc............................................................................................................ 21
2.7. Lựa chọn nguồn dự trữ Ắc quy....................................................................................... 21
2.8. Lựa chọn động cơ............................................................................................................30
CHƯƠNG 3................................................................................................................................31
PHÂN TÍCH NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH...................................................................................31
VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ......................................................................................................31
3.1. Ngôn ngữ lập trình.......................................................................................................... 31
3.2. Phần mềm phụ trợ........................................................................................................... 31
CHƯƠNG 4................................................................................................................................37
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH.....................................................................................37
4.1. Giới thiệu mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar).............................37
4.2. Thiết kế phần cứng..........................................................................................................39
4.3.Thiết kế thi công phần vi xử lý và cảm biến.................................................................... 41
4.4. Thiết kế phần mềm..........................................................................................................43
CHƯƠNG 4................................................................................................................................49
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................50
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 4 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU
HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (Tracking Solar)
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.
Cùng với sự phát triển của quá trình Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,
nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo nhu cầu
sử dụng năng lượng của Việt Nam ngày càng tăng. Nguồn năng lượng hóa thạch ngày
càng cạn kiệt, nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới xanh, sạch và có thể tái tạo được,…
để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bài toán đặt ra từ lâu đối với
quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Với sự phát triển nền kinh tế, Việt Nam cũng
gặp phải những khó khăn và trở ngại về thiếu hụt năng lượng khi mà các nguồn năng
lượng tuyền thống dần không đủ đáp ứng.
Mặt khác,Việt Nam là quốc gia nhiệt đới gió mùa, có phần đất liền trải dài từ
kinh tuyến 102°8′ Đông đến 109°27′ Đông và từ vĩ tuyến 8°27′ Bắc đến 23°23′ Bắc,
cách đường xích đạo không xa nên cường độ ánh sáng mặt trời nhận được rất dồi dào.
Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời đầy tiềm năng này.
Những năm gần đây, khai thác năng lượng mặt trời đang được nhà nước quan
tâm. Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, nhóm em thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình tự
động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)”. Với mong muốn mô hình của đề tài
được ứng dụng trong thực tế cho việc phát tối ưu năng lượng điện trong các gia đình để
giải quyết phần nào tình trạng thiếu hụt năng lượng và làm cơ sở để tạo nên những trạm
điện mặt trời trong tương lai.
1.2. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài.
Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số
lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành
năng lượng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng
mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt thích hợp cho các vùng như núi cao,
ngoài đảo xa. Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 5 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được
đặt trên các tòa nhà, nơi có ánh sáng nhiều nhất và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng
lưới điện sẽ tạo ra điện năng.
Pin năng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý như sau: Từ tấm pin mặt trời
(solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC
Power). Dòng điện này được dẫn đến bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị
có chức năng có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp
cho acquy (Battery). Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay
chiều chuẩn 220V/50Hz để cung cấp điện cho các thiết bị điện.
Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Việc sử dụng pin năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ thay thế
cho các dạng năng lượng truyền thống, góp phần giảm tải nhu cầu ngày càng tăng lên
về năng lượng cho quốc gia. Hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp điện cho các
thiết bị điện tạo ra một năng lượng tái tạo xanh, sạch, độc lập và bảo vệ môi trường.
Diện tích lắp pin mặt trời càng lớn càng tạo ra nhiều điện năng sử dụng.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 6 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 1.2. Mô hình pin mặt trời tự động điều hướng của người dân
Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống Solar Tracker bao gồm:
-
Tấm pin mặt trời Solar cells.
-
Hệ thống điều khiển tấm Solar cells.
-
Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc – quy.
-
Hệ thống Inverter 12V DC – 220V AC.
-
Ắc - quy lưu trữ điện.
-
Khung, giá đỡ.
-
Dây cáp nối.
Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời mang lại:
-
Pin năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn
miễn phí và thiết thực.
-
Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng cho các hộ gia đình.
-
Tạo ra nguồn điện độc lập, xanh, sạch và bảo vệ môi trường.
-
Đảm bảo độ tin cậy cung cấp nguồn điện.
Việt Nam là nước giàu nguồn năng lượng mặt trời. Hằng năm các vùng ở phía
Bắc Việt Nam có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một số vùng
miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng. Nhưng rất ít người biết tận dụng điều kiện thuận
lợi cuả năng lượng mặt trời vào sử dụng hằng ngày.
Năm 2000 – 2005, EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin mặt trời tại các hộ dân và
trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh).
Gần đây, Sở Khoa học và Công nghệ Tp. Đà Nẵng phối hợp với Công ty Quản
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 7 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
lý vận hành điện chiếu sáng công cộng, quyết định thí điểm một năm trong việc lắp đặt
10 bộ đèn chiếu sáng đường phố bằng năng lượng gió và mặt trời tại đường Trường Sa.
Ngoài ra tại Việt Nam, còn có khá nhiều doanh nghiệp đầu tư sản xuất loại máy
nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn Hà, Sunflower,
Thái Dương Năng…
1.3. Phạm vi nghiên cứu.
Đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)”
được thực hiện trên vi xử lý AVR Atemega 328 kết hợp với hệ thống cảm biến, sử dụng
tấm pin solar cell 10W - 18V. Hệ thống Solar Tracker hoàn toàn có thể được đưa vào
hoạt động thực tế với chi phí thấp, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
1.4. Mục tiêu và giới hạn của đề tài.
Đề tài này có mục đích phát triển lý thuyết tính toán hệ thống năng lượng mặt
trời tự điều hướng, đồng thời tiến hành kiểm nghiệm so sánh hiệu suất pin khi đặt trong
hệ thống cố định và khi cơ động hướng trên mô hình tự động điều hướng pin mặt trời
(tracking solar) với mô hình pin mặt trời thực có công suất 6W.
Đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)”
sẽ tìm hiểu và nghiên cứu các một tiêu như sau:
-
Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời.
-
Nghiên cứu cơ sở khoa học về việc chế tạo mô hình tự động điều hướng pin
mặt trời.
-
Thiết kế, thi công phần cảm biến góc chiếu của ánh sáng mặt trời, cơ cấu
chuyển động theo ánh sáng mặt trời để cho hiệu suất pin cao nhất.
-
Chế tạo phần nguồn sạc tự động cho Acquy 12V.
-
Thi công phần cứng, khung cho toàn hệ thống.
-
Hệ thống đảm bảo hoạt động ổn định, tính thực tiễn cao, có thể áp dụng trực
tiếp vào thực tế.
-
Hệ thống đảm bảo tính thẩm mỹ, kết cấu khung chắc chắn.
-
Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng mô hình tự động điều hướng pin
mặt trời vào sinh hoạt nói riêng cũng như góp phần cải thiện.
Do thời gian có hạn, kiến thức thực tế còn hạn chế, Đề tài “Thiết kế mô hình tự
động điều hướng pin mặt trời” sẽ giới hạn một số nội dung sau:
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 8 -
Đồ án Tốt Nghiệp
-
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại một số vị trí địa lý của Việt
Nam theo các mùa.
-
Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả của hệ thống tự động điều
hướng pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định.
-
Chế tạo mô hình thực nghiệm cho hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời.
CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER
2.1. Yêu cầu bài toán.
-
Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời.
-
Nghiên cứu, tìm hiểu về vi xử lý Atemega 328, hệ thống mạch so sánh, mạch
nghịch lưu áp Inverter.
-
Xây dựng một hệ thống Solar tracker hoàn chỉnh có nhiệm vụ hấp thụ ánh
sáng mặt trời tối đa, biến đổi điện áp DC sang AC cung cấp cho phụ tải xoay
chiều.
2.2. Giải pháp thiết kế.
Hệ thống bao gồm:
-
Tấm pin mặt trời (Solar Panel).
-
Bộ điều khiển hướng quay tấm pin mặt trời.
-
Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller).
-
Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter).
-
Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter).
-
Ắc quy (Battery)
Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) là một vấn đề chúng ta đã
biết, với mỗi mùa khác nhau, tại một địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu
khác nhau và được mô tả như hình sau:
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 9 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.1. Mô tả góc nghiêng mặt trời theo mùa (Solar Tracker).
Hình 2.2. Hướng ánh sáng mặt trời.
Để hướng nguồn ánh sáng tối ưu, giải pháp thiết kế của mô hình là: phải có bộ
phận điều khiển hướng đón ánh sáng của tấm pin mặt trời sử dụng cảm biến ánh
sáng.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 10 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
2.3. Sơ đồ khối và chức năng các khối
2.3.1. Sơ đồ khối
Hình 2.3. Sơ đồ khối mô hình tấm pin
solar 2.3.2. Chức năng các khối tấm pin Solar:
Solar Cells:
Pin mặt trời hay pin quang điện, ký hiệu là PV là hệ thống các tấm vật liệu
đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện
năng. Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể
(monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%),
có tuổi thọ trung bình 30 năm.
Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng
điện một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị
điện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào ắcquy và
phóng điện từ ắcquy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất
giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng
một chiều thành dòng xoay chiều (AC), cung cấp nhiều thiết bị tiêu thụ điện.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 11 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Bộ điều khiển sạc:
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy
chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, giúp hệ
thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. Bộ điều khiển còn cho biết tình
trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát
được các phụ tải.
Nguồn dự trữ (Ắc-quy):
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc
không còn ánh nắng. Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau,
tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công
suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình
ắc-quy kết nối lại với nhau.
Khối cảm biến ánh sáng và vi xử lý:
Vi xử lý có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến quang trở sau đó xử lý để
điều khiển động cơ servo, cảm biến quang trở sẽ so sánh giá trị điện trở giữa
vùng sáng và vùng tối để gửi giá trị điện trở thay đổi về cho vi xử lý.
2.3.3. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống.
Solar Tracker là một hệ thống pin năng lượng mặt trời, do đó hoạt động
chủ yếu dựa vào năng lượng ánh sang mặt trời, khi có ánh sang mặt trời chiều
vào, tấm pin biến đổi quang năng thành điện năng DC, dòng điện đi qua bộ phận
điều khiển sạc để sạc cho bộ lưu trữ điện Ắc-quy, thiết bị điện hay tải sẽ sử dụng
trực tiếp nguồn điện của pin năng lượng mặt trời tạo ra, khi nắng yếu hoặc không
có nẳng điện áp yếu thì hệ thống tự động chuyển sang nguồn dự trữ Ắc-quy để
cấp cho tải.
Vì trong một ngày, mặt trời quay quanh quỹ đạo nên ánh nắng mặt trời sẽ
bị thay đổi góc chiều, chính vì vậy ta cần sử dụng một khối điều khiển sao cho
tấm pin quay theo hướng của mặt trời, tia nắng tạo với mặt phẳng tấm pin Solar
một góc 90 độ khi đó tấm pin nhận được lượng ánh sáng tối đa nhất.
2.4. Lựa chọn linh kiện.
2.4.1. Lựa chọn tấm pin mặt trời Solar.
Ta sử dụng tấm pin mặt trời 10W, với quy mô nhỏ sử dụng cho các thiết
bị điện hay tải công suất nhẹ.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 12 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.4. Pin mặt trời.
Thông số cơ bản:
• Thông số: 10W / 18V.
• Kích thước: 332 x 205 x 17 mm.
• Điện áp: 16 V.
• Dòng tối đa: 0.56 Amp.
• Nhiệt độ hoạt động: - 40 ~ +85 độ C.
• Trọng lượng: 0.8 kg.
2.4.1.1. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời.
Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán
dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng
điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất
hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Để hiểu về nguyên lý làm việc của
pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn
2
2
6
2
2
Silic. Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s 2s 2p 3s 3p .
Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được
xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy
2
2
1 nửa với 4 điện tử 3s 3p . Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng
chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác. Trong cấu trúc mạng
tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài
cùng có chung 8 điện tử (bền vững).
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 13 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.5. Tinh thể Silic
Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện
tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều
kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết,
hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy
từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện
dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện.
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp
chất vào trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử
phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài
cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử. Điện tử này
trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P
để khuếch tán trong mạng tinh thể.
Hình 2.6. Tinh thể bán dẫn loại N
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 14 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N :(Negative)
vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại, nếu chúng ta
pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp
vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ
yếu bằng các lỗ trống. Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp
xúc với nhau. Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn
loại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ
trống trong phần bán dẫn loại P này. Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N
có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không. Vì khi các
điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện
dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm.
Hình 2.7. Tinh thể bán dẫn loại P
Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược
và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện
tử chạy từ bán dẫn N sang P. Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu
như không có e hay lỗ trống tự do.
Hình 2.8. Lớp tiếp giáp P-N
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 15 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn.
Điện trường tạo ra ở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử
chạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòng
điện tử sẽ không được phép chạy theo hướng ngược lại. Để lí giải vì sao
bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần tĩnh điện.
Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn có
diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền
qua. Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (và
do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ) và một phần
bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phần may mắn hơn đến được lớp
chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề
mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng
lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết. Sẽ không thể có chuyện gì nếu không
có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao
nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng
điện. Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do
đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn
loại p. kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo
được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất
của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ. Với Si (B;P) thì giá trị
này ở khoảng 0,6V. Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1
2
2:
kilowatt/m (Chính xác là 1,34 KW/m Đây chính là hằng số mặt trời) ,
tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ
vào khoảng 8% đến 12%. Tại sao lại ít vậy. Câu trả lời là ánh sáng mặt
trời có phổ tần số khá rộng. Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng
để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Chỉ có những photon
năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này.
Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV. Các photon năng
lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được. Nếu photon có năng lượng cao
hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì
thêm. Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để
tận dụng nguồn photon tần số thấp. Vấn đề là khe vùng cũng xác định
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 16 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc. Khe vùng càng bé thì
hiệu điện thế này càng bé. Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu
điện thế nhân với dòng. Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào
khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa. Một nguyên
nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách
chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện. Ở mặt dưới của tấm
pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên
nó cần trong suốt để ánh sáng có thể đi qua. Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở
mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mới
vào được mạch điện. Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủ lên
bề mặt của pin mặt trời.
Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần
nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng
điện. Có người nói: năng lượng làm ra một hệ thống pin mặt trời lớn hơn
năng lượng nó thu được trong quá trình dùng. Một thực tế là việc sử dụng
năng lượng Mặt trời ở nước ta còn quá xa vời là do ta ỷ vào nguồn năng
lượng thủy điện (cũng là một loại năng lượng sạch) nhưng thực tế nhu cầu
tiêu thụ điện và sự khổ sở vì tình trạng các hồ chứa xuống dưới mức chết
đã gióng một hồi chuông nhẹ tới suy nghĩ này của toàn bộ mọi người.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 17 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
2.4.2. Lựa chọn linh kiện khối vi điều khiển
2.4.2.1. Giới thiệu về vi điều khiển Atemega 328
Hình 2.9. Vi điều khiển Atemega 328
Sử dụng vi điều khiển AVR Atemega 328, lập trình trên nền ngôn
ngữ Arduino đơn giản cho người lập trình.Atmega328 là một chíp vi điều
khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh
hơn hẳn Atmega8. Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến
trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn
lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới
vi xử lý 8 bít (2KB RAM). Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối
vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ imer/counter có thể lập trình, có các
gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối
tiếp USART, SPI, I2C.
Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít
(ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog
timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế
độ rộng xung. Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp
rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz.
Ngày nay vi điều khiển Atmega328 thực sử được sử dụng phổ biến
từ các dự án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ,
tiêu tốn ít năng lượng (chế độ hoạt động: 0.2 mA, chế độ ngủ: 0.1μA, chế
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 18 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
độ tích kiệm: 0.75μA) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùng
AVR. Và không thể không nhắc tới sự thành công của Vi điều khiển
Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino
Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini những sản phẩm dẫn dắt
chúng ta vào thế giới mã nguồn mở để hoàn thành một chương trình trong
“nháy mắt”.
Thông số chính Atmega328P-PU:
+ Kiến trúc: AVR 8bit.
+ Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz.
+ Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB.
+ Bộ nhớ EEPROM: 1KB.
+ Bộ nhớ RAM: 2KB.
+ Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V.
+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit.
+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh).
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn
riêng. Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng
nói. Và Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là
Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++. Ngôn ngữ Arduino bắt
nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm
phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập
trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development
Environment).
2.4.2.2. Ứng dụng của Arduino
Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lý
linh hoạt, phần cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác. Do đó có thể
ứng dụng trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản từ
các thiết bị báo cháy báo ga, đo các thông số môi trường (nồng độ khí,
nhiệt đô, độ ẩm, ánh sáng ), hay phức tạp hơn là xử lý máy in 3D.
Arduino còn được ứng dụng trong công nghệ giải trí như thiết kế robot dò
đường, tay cầm điều khiển. Arduino còn có thể kết hợp ghép nối với các
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 19 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
thiết bị điện tử khác như kết nối với máy tính nhúng raspberry để thu thập
dữ liệu gửi lên mạng internet, hay có thể ghép nối với các board mở rộng
như WiFi, Ethernet Shield,...
2.5. Lựa chọn linh kiện khối cảm biến.
2.5.1. Cấu tạo của quang trở.
Khối cảm biến sử dụng 4 quang trở. Điện trở quang hay quang trở,
photoresistor, LDR (Light-dependent resistor, tiếng Anh còn dùng cả từ
photocell), là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếu
vào. Đó là điện trở phi tuyến.
Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao và không có tiếp giáp
nào. Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ. Khi có ánh sáng, điện trở
giảm xuống mức một vài trăm Ω.
Hình 2.10. Cấu tạo quang trở.
Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật
chất. Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng giải phóng các electron liên kết
của chất bán dẫn để trở thành các electron quang dẫn do tác dụng của bức xạ
thích hợp. So sánh hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài:
-
Phải được kích thích bằng ánh sáng kích thích thích hợp.
-
Quang điện trong: Các electron vẫn ở trong chất bán dẫn khi có ánh sáng
kích thích.
-
Quang điện ngoài: Các electron bứt ra khỏi kim loại khi bị kích thích.
-
Công thoát của chất bán dẫn nhỏ hơn công thoát của kim loại.
Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân
tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ
dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ. Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở
phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau. Quang trở phản ứng trễ
hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 20 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.11. Quang trở.
2.5.2. Một số ứng dụng của quang trở
Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, như
trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối. Cảm biến quang trở
rất quen thuộc, quang trở là một loại "vật liệu" điện tử rất hay gặp và được sử
dụng trong những mạch cảm biến ánh sáng. Có thể hiểu một cách dễ dàng rằng,
quang trở là một loại điện trở có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng. Nếu
đặt ở môi trường có ít ánh sáng, có bóng râm hoặc tối thì điện trở của quang trở
sẽ tăng cao còn nếu đặt ở ngoài nắng, hoặc nơi có ánh sáng thì điện trở sẽ giảm.
Từ đó ta dựa vào giá trị điện trở này để điều khiển động cơ thay đổi góc quay
cho tấm pin Solar.
2.6. Bộ điều khiển sạc.
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm
pin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là “điều khiển” việc
sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời. Cụ thể là các nhiệm vụ bảo vệ
bình ắc quy. Khi bình đầy (VD 13.8V – 14V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiển ngăn
không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sôi bình và làm ảnh hưởng
đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD
10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình
không bị “kiệt”.
2.7. Lựa chọn nguồn dự trữ Ắc quy.
Sử dụng Ắc quy 12V 5Amp, có độ bền cao, sử dụng rất phổ biến trong các thiết
bị yêu cầu cần lưu trữ điện như lưu điện, xe máy, oto,…
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 21 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.14. Ắc quy
Ắc-quy là loại bình điện hóa học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn
điện cung cấp cho các thiết bị sữ dụng điện các tính năng cơ bản của ắc-quy:
-
Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng điện nạp, Sự tự phóng điện bé nhất.
-
Năng lượng nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ắc-quy phóng ra.
-
Điện trở của ắc-quy gồm điện trở của các bản cực, điện trở dung dịch điện
phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. thường trị
số điện trở trong của ắc-quy khi nạp điện đầy là 0,001Ω - 0,0015 Ω và ắc-quy
phóng điện hoàn toàn là 0.02Ω -0.025Ω.
Các bộ phận chủ yếu của ắc-quy axit gồm:
-
Các lá cực dương làm bằng Pb2 được ghép song song với nhau thành một bộ
chùm cực dương.
-
Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song thành một bộ chùm cực âm.
Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ với nhau theo kiểu cái răng
lược, sao cho cứ một lá cực (-) rồi đến một lá cực (+).
-
Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập
mạch giữa các điện cực khác dấu.
-
Vỏ bình thường được làm bằng cao su cứng đúc thành hình hộp, chịu được
khí nóng lạnh, va chạm mạnh và chịu được axit. Dưới đáy bình có các đế cao
để dắt các lá cực lên, khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì đọng dưới
rãnh đế như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùn
gây ra, nắp đậy ắc- quy cũng làm bằng vỏ cao su cứng, nắp có các lỗ để đổ
dung dịch điện phân và đầu cực luồn qua. Nút đậy để dung dịch khỏi đổ ra.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 22 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.15. Cấu tao điện phân trong bình Ắc quy.
-
Cấu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ắc-quy này với cực
dương của ngăn ắc-quy kế tiếp.
Phân loại và nguyên lý hoạt động của ắc quy: Nếu điểm qua các loại ắc quy thì
có lẽ có thể có nhiều cách gọi như: ắc quy nước, ắc quy axít, ắc quy axít kiểu hở, ắc quy
kín khí, ắc quy không cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm...Thực ra
thì cách nói như trên là các cách gọi khác nhau của vài loại ắc quy cơ bản mà thôi, các
loại như vậy chính là cách gọi có thể bao hàm vào nhau mà nếu nghe qua bạn đừng
hoang mang rằng tại sao có nhiều loại ắc quy như vậy. Trên thực tế thường phân biệt
thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là ắc quy sử dụng điện môi bằng axít (gọi tắt
là ắc quy a xít hoặc ắc quy Chì-Axít) và ắc quy sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi tắt là
ắc quy kiềm). Tuy có hai loại chính như vậy nhưng ắc quy kiềm có vẻ ít gặp nên đa số
các ắc quy mà bạn gặp trên thị trường hiện nay là ắc quy a xít.
Trong hình dưới vẽ đại diện hai bản cực của một ắc quy, trong đó cực cả hai cực
được làm bằng Chì (Pb) và oxít Chì (PbO 2). Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch
axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa Nước
(H2O) là chiếm phần lớn thể tích.
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 23 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.16. Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít
Quá trình phóng điện diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ
điện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:
Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2
Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2
Suy ra: Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.
Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn
toàn chuyển thành PbSO4.
Quá trình nạp điện cho ắc quy, do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắc
quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong
toàn bình sẽ là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2 H2SO4.
Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm:
PbO2, cực âm là Pb. Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái hóa học
nêu trên (như hình, tức là cực dương là PbO2, cực âm là Pb), trong các quá trình phóng
điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi. Có thể xem về
trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp như hình dưới đây:
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 24 -
Đồ án Tốt Nghiệp
GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp
Hình 2.17. Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít
Trong thực tế, các bản cực ắc quy không giống như ở trên, các cực của ắc quy có
số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao
gồm nhiều ngăn như vậy. Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều
hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòng điện
cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng
tăng lên. Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số cực
dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực
(nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau
quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi). Ở giữa các bản cực của ắc quy đều
có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện
cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện
cực.
Hình 2.18. Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau
SVTT: Nguyễn Minh Triều
Trang - 25 -
