BÁO CÁO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH PIN MẶT TRỜI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.15 MB, 43 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------- -------
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
MƠ HÌNH PIN MẶT TRỜI
Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Hà Nội, 06-2020
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Các số liệu ban đầu:
Mơ hình pin mặt trời có những thông số sau:
-
Tấm pin mặt trời
-
Tải tiêu thụ điện
-
Pin hoặc ắc quy để tích trữ điện
-
Điều hướng tấm pin mặt trời quay theo hướng ánh sáng
2. Nội dung thực hiện
Cả nhóm
-
Lên ý tưởng về mơ hình
-
Tìm hiểu về linh kiện sử dụng
-
Vẽ lưu đồ giải thuật
-
Lắp ráp các chi tiết, linh kiện mơ hình
-
Chạy thử nghiệm mơ hình
-
Căn chỉnh, chỉnh sửa mơ hình
-
Viết báo cáo mơ hình
Thành viên trong nhóm
STT
1
2
3
4
5
Thành viên
Nợ dung
Tính tốn tải tiêu thụ, lựa chọn pin, nguyên lý
mạch sạc – tải tiêu thụ
Thiết kế mạch điện sạc pin, chọn inverter DCDC
Thiết kế cơ cấu truyền động xoay điều hướng,
bản vẽ 3D,2D của mơ hình
Thiết kế mạch điện điều hướng tấm pin mặt trời
Lập trình Arduino điều hướng tấm pin mặt trời
i
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
LỜI CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan công việc trong luận văn này được thực hiện bởi chính
chúng em. Các số liệu, kết quả được trình bày trong báo cáo là hồn tồn trung thực.
Tất cả các tài liệu tham khảo, cơng trình nghiên cứu, kết quả công việc của người khác
được sử dụng trong đề tài đều được ghi rõ nguồn. Nếu như những gì chúng em nói trên
đây là trái sự thật, chúng tôi xin chịu mọi trách nhiệm theo pháp luật và quy định của
nhà trường.
Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2020
Sinh viên thực hiện:
ii
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện báo cáo xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng
dẫn thầy vì đã giúp đỡ nhóm trong q trình thực hiện báo cáo, người đã đưa ra hướng
nghiên cứu, giải đáp thắc mắc. Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những
kiến thức thực tế và cách làm việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy.
Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Kỹ
thuật năng lượng đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều
kiện tốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Trong quá trình làm báo cáo, do cịn hạn chế về chun môn và kiến thức của bản thân
chúng em nên không thể tránh khỏi có những thiếu sót cịn mắc phải. Chúng em rất
mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các quý thầy cô và các bạn.
iii
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.............................1
1.1. Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời............................................................1
1.2. Nguyên lý hoạt động tạo ra dòng điện của tấm pin năng lượng mặt trời......5
1.3. Những lợi ích khi sử dụng pin mặt trời:.......................................................6
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH PIN MẶT TRỜI....................8
2.1. Giới thiệu mơ hình.......................................................................................8
2.2. Tính tốn thiết kế mạch sạc pin mặt trời......................................................9
2.2.1. Tính tốn tải tiêu thụ điện.....................................................................9
2.2.2. Chọn ắc quy, pin.................................................................................10
2.2.3. Chọn tấm pin mặt trời.........................................................................11
2.2.4. Chọn bộ điều khiển sạc.......................................................................12
2.2.5. Chọn inverter DC-DC.........................................................................14
2.2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin – tải tiêu thụ........................................16
2.3. Tính tốn thiết kế bộ điều hướng tấm pin mặt trời.....................................17
2.3.1. Thiết kế mô phỏng mơ hình trên phần mềm 3D..................................17
2.3.2 Tính tốn chọn servo dẫn động............................................................18
2.3.3. Thiết kế mạch điều khiển....................................................................19
2.3.4. Lập trình điều hướng tấm pin mặt trời................................................23
CHƯƠNG 3: THI CÔNG LẮP RÁP MƠ HÌNH PIN MẶT TRỜI.......................28
3.1. Lắp ráp mơ hình pin mặt trời.....................................................................28
3.2. Chạy thử, đánh giá.....................................................................................29
KẾT LUẬN...........................................................................................................30
PHỤ LỤC.............................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................36
iv
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hình ảnh tấm pin mặt trời trên mái nhà...................................................1
Hình 1.2. Tế bào mặt trời cơ bản.............................................................................2
Hình 1.3. Hình ảnh cấu tạo của hệ thống pin mặt trời.............................................3
Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.....................................................5
Hình 1.5. Trồng rau xen lẫn những tấm pin mặt trời...............................................7
Hình 2.1. Mơ hình pin mặt trời...............................................................................8
Hình 2.2. Sơ đồ khối ngun lý mơ hình pin mặt trời............................................9
Hình 2.3. Tải tiêu thụ điện trong mơ hình............................................................10
Hình 2.4. Hình ảnh pin 18650...............................................................................11
Hình 2.5. Hình ảnh 3 viên pin mắc nối tiếp...........................................................11
Hình 2.6. Hình ảnh tấm pin mặt trời.....................................................................12
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin thiết kế trên trang web EasyEDA..........13
Hình 2.8. Mạch in thiết kế trên trang web EasyEDA............................................14
Hình 2.9. Mạch sạc pin mơ phỏng 3D trên trang web EasyEDA..........................14
Hình 2.10. Mạch hạ áp DC-DC.............................................................................15
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin – tải tiêu thụ........................................16
Hình 2.12. Mơ hình được thiết kế mơ phỏng trên phần mềm Solidworks.............17
Hình 2.13. Vị trí lắp servo.....................................................................................18
Hình 2.14: KIT Arduino Uno R3...........................................................................19
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý mạch điều hướn pin mặt trời.....................................22
Hình 2.16. Giao diện phần mềm Arduino IDE......................................................24
Hình 3.1. Hình ảnh mơ hình hồn thiện................................................................28
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các thông số cơ bản của bo mạch Arduino Uno R3..............................21
V
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
TĨM TẮT
Năng lượng ngun thủy đang ngày một cạn kiệt, thay vào đó là sự lên ngôi của
năng lượng tái tạo xanh và sạch như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và
địa nhiệt, trong đó năng lượng mặt trời đang được áp dụng rộng rãi cũng như là phù
hợp nhất với điều kiện thời tiết ở nhiều tỉnh thành của Việt Nam . Sau nhiều năm
nghiên cứu về việc tận dụng ánh sáng của mặt trời để taọ ra nguồn năng lượng quý giá
và vô tận, các nhà khoa học đã cho ra đời tấm pin năng lượng mặt trời, nó đang tạo
nên cơn sốt trên toàn cầu. Được nhắc nhiều trên báo đài và các phương tiện truyền
thông, nhưng trong chúng ta chắc hẳn vẫn cịn có nguời chưa hiểu rõ về nó. Vì vậy
trong bài viết này chúng tơi muốn mang đến cho mọi người một cái nhìn tổng quát và
dễ hiểu nhất về pin năng lượng mặt trời.
Nhóm sẽ thực hiện thiết kế, chế tạo mơ hình pin mặt trời thơng qua việc tích lũy
kiến thức được học tại trường cũng như quan sát và nghiên cứu thực tiễn. Tất cả vì
mục đích hồn thành được mơ hình dễ lắp đặt, dễ sử dụng, tiết kiệm điện, mang lại cho
người dùng cảm giác tin cậy và an toàn.
VI
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Nguồn điện mặt trời là dạng nguồn năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn.
Đây là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất. Việc tìm các cách thức
để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng điện mặt trời này sao cho hiệu quả và thay thế
dần các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, gây ơ nhiễm mơi trường đang
là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Năng lượng mặt trời thực chất là nguồn
năng lượng nhiệt hạch vô tận của thiên nhiên. Hàng năm, mặt trời cung cấp cho trái
đất một năng lượng khổng lồ, gấp 10 lần trữ lượng các nguồn nhiên liệu có trên trái
đất. Hiện nay, nước ta chủ yếu sử dụng hệ thống pin mặt trời độc lập, hoặc hệ thống
độc lập kết hợp giữa pin mặt trời và các nguồn năng lượng khác như nguồn ắc quy, pin
nhiên liệu,vv...
Hình 1.1. Hình ảnh tấm pin mặt trời trên mái nhà
1.1. Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời
Pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện
(solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến
ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc
1
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
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 (ví dụ cảm biến hồng
ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh
sáng.
Hình 1.2. Tế bào mặt trời cơ bản
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. 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 ngồi và tạo nên dịng điện.
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn)
là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
2
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
-
Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được
cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các
module.
-
Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội
và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất
kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vng che phủ bề mặt
nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
-
Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong
các loại vì khơng cần phải cắt từ thỏi silicon.
Cấu tạo pin mặt trời được chế tạo bằng 6 thành phần. Chúng được lắp ráp tại các
nhà máy sản xuất tiên tiến, hiện đại bậc nhất thế giới với độ chính xác cực cao. Các
tấm năng lượng mặt trời được chế tạo bằng pin mặt trời tinh thể silicon, cho đến nay
đây được xem là công nghệ năng lượng mặt trời phổ biến nhất và hiệu suất cao nhất
hiện nay. Các công nghệ PV mặt trời khác có sẵn như các tế bào in màng mỏng và màn
hình những cơng nghệ này vẫn đang được cải tiến và phát triển.
6 thành phần chính để cấu tạo pin năng lượng mặt trời bao gồm:
Hình 1.3. Hình ảnh cấu tạo của hệ thống pin mặt trời
Cấu trúc các lớp bên trong pin năng lượng mặt trời Solar Panel:
3
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
1. Lớp tế bào quang điện Solar Cells bên trong
Như đã nói ở trên , Các tế bào quang điện là thành phần chính và có chức năng
hấp thu ánh sáng mặt trời quang năng và biến đổi thành điện năng.
Các tế bào tinh thể Silics này có thể là đơn tinh thể (goi là Pin Mono) hoặc đa tinh
thể (Gọi là Pin Poly), tùy theo quy trình sản xuất của từng hãng pin mặt trời .
Các đặc tính kỹ thuật chính là: kích thước, màu sắc, số lượng tế bào – Cells pin và
quan trọng hơn hết là hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời.
Hiện nay , các tế bào Cells pin phổ biến nhất là các tế bào đa tinh thể Poly với
hiệu suất chuyển hóa khoảng 17,6%, tạo ra một pin mặt trời 250W với 60 cells. Các tế
bào Cells này được liên kết với nhau bằng một dây đồng mỏng được phủ một hợp kim
thiếc.
2. Lớp kính trước của pin mặt trời
Phần Kính mặt trước của pin mặt trời là phần nặng nhất . Nó có chức năng bảo vệ
và đảm bảo độ bền cho toàn bộ tấm pin mặt trời, duy trì độ trong suốt cao. Độ dày của
lớp này thường là 3,3mm nhưng nó có thể dao động từ 2 mm đến 4mm tùy thuộc vào
loại kính mà hãng sản xuất pin đó chọn. Điều quan trọng là phải chú ý đến các yếu tố
như chất lượng độ cứng, độ truyền quang phổ và truyền ánh sáng. Pin càng tốt thì lớp
kính trước này hấp thu ánh sáng đi qua tốt hơn , phản xạ ánh sáng ít hơn.
3. Tấm nền của pin
Tấm nền mặt sau của pin mặt trời được làm từ một vật liệu nhựa có chức năng
cách ly điện, bảo vệ và che chắn các tế bào PV khỏi thời tiết và độ ẩm. Tấm đặc biệt
này thường có màu trắng và được bán ở dạng cuộn hoặc tấm. Các loại pin các hãng
khác nhau có thể khác nhau về độ dày, màu sắc và sự hiện diện của các vật liệu cụ thể
để che chắn tốt hơn hoặc cho độ bền cơ học cao hơn.
4. Vật liệu đóng gói hồn thiện Pin mặt trời
Một trong những vật liệu quan trọng nhất là chất liệu đóng gói – là chất kết dính
giữa các lớp khác nhau của pin mặt trời. Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất
đóng gói là EVA – Ethylene vinyl acetate. Nó là một polymer đục mờ được đóng theo
cuộn. Nó phải được cắt thành tấm và nằm trước và sau các tế bào quang điện. Khi chịu
một q trình nhiệt của nấu chân khơng, loại polymer đặc biệt này trở đăc lại thành
keo trong suốt và kết dính các tế bào quang điện. Chất lượng của quá trình này, được
4
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
gọi là cán màng, đảm bảo tuổi thọ cao cho chính tấm pin đó, đồng thời có ảnh hưởng
đến việc truyền ánh sáng, tốc độ xử lý và khả năng chống lại màu vàng do tia UV.
5. Khung tấm pin mặt trời
Một trong những phần cuối cùng được lắp ráp pin mặt trời là khung. Nó thường
được làm bằng nhơm và có chức năng đảm bảo độ bền cho tấm pin.
Đối với các trường hợp sử dụng đặc biệt, cũng có sẵn các tấm pin không khung
hoặc các giải pháp nhựa đặc biệt. Những giải pháp này thường liên quan đến việc sử
dụng các dung dịch hỡ trợ dán ở phía sau với cơng nghệ kính thủy tinh.
6. Hộp đựng mối nối mạch điện
Hộp nối có chức năng đưa các mối nối điện của mơ đun pin mặt trời ra bên ngồi.
Nó chứa các dây cáp để kết nối các tấm trong hệ thống. Khi chọn hộp Nối, chúng
ta nên chú ý đến chất lượng nhựa, độ tốt của khớp nối.
1.2. Nguyên lý hoạt đợng tạo ra dịng điện của tấm pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán
dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng
tạo ra dịng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
5
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
-
Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng
lượng cao hơn.
-
Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao
hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron
trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngồi cùng, và thường được
kết dính với các ngun tử lân cận vì thế khơng thể di chuyển xa. Khi electron được
kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.
Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỡ trống”. Lỡ trống này tạo điều kiện
cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống”, và điều
này tạo ra lỗ trống cho ngun tử lân cận có “lỡ trống”. Cứ tiếp tục như vậy “lỗ trống”
di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron
lớp ngồi cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K,
vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết
năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện
sử dụng được.
1.3. Những lợi ích khi sử dụng pin mặt trời:
Chúng được ứng dụng khá rộng rãi hiện nay nhờ những lợi ích mà nó mang lại:
1. Tạo ra nguồn năng lượng xanh
Ánh sáng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tự nhiên và khá quen thuộc.
Thông qua tấm pin mà nguồn năng lượng tự nhiên này được chuyển hóa thành điện
năng để phục vụ cho đời sống của con người. Làm giảm phần nào gánh nặng cho lưới
điện của quốc gia luôn trong tình hình quá tải, giúp khắc phục tình trạng thiếu điện cho
nhu cầu sản xuất và sinh hoạt, không bị gián đoạn trong quá trình sử dụng.
2. Tiết kiệm
Giá của các tấm pin mặt trời khá rẻ, đi kèm là chi phí để lắp đặt các hệ thống cho
các hộ gia đình, cơng ty, nhà xưởng…vừa phải. Với vốn đầu tư thấp nhưng hiệu quả sử
6
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
dụng mang lại rất lớn giúp giảm thiểu chi phí từ hệ thống lắp đặt, khơng phải bảo trì
bảo dưỡng, độ bền lên đến hơn 25 -30 năm, giúp tiết kiệm phí tri trả tiền điện hàng
tháng rất nhiều so với khi dùng hệ thống điện lưới.
3. Thân thiện với môi trường
Một ưu điểm nổi bật của tấm pin chính là tạo ra từ nguồn năng lượng sạch, thân
thiện với mơi trường, góp phần rất lớn trong việc bảo vệ mơi trường.
Hình 1.5. Trồng rau xen lẫn những tấm pin mặt trời
4. Thời hạn sử dụng lâu dài
Một tấm pin có thời gian sử dụng lên đến 25-30 năm
7
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH PIN MẶT TRỜI
2.1. Giới thiệu mơ hình
Hình 2.1. Mơ hình pin mặt trời
Mơ hình gồm 2 phần chính:
-
Phần 1: Khối thiết bị sạc pin và tải tiêu thụ điện.
Một hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm 4 thành phần chính:
1. Tấm pin mặt trời PV
2. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời
3. Bộ kích điện Inventer
4. Ắc quy, pin
Ngồi ra cịn một số vật dụng khác như cầu chì, dây điện, CB…
-
Phần 2: Khối thiết bị điều hướng chuyển động của tấm pin mặt trời theo ánh
sáng.
8
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Mạch Arduino điều khiển 2 servo điều chỉnh góc quay của tấm pin mặt trời theo
giá trị quang trở tương úng.
Hình 2.2. Sơ đồ khối ngun lý mơ hình pin mặt trời
2.2. Tính tốn thiết kế mạch sạc pin mặt trời
2.2.1. Tính tốn tải tiêu thụ điện
Liệt kê tất cả các thiết bị điện sử dụng, ước lượng thời gian sử dụng, xem công
suất ghi trên từng thiết bị.
Trong mơ hình này sử dụng các tải:
-
1 đèn led 5V 1W
-
Mạch Arduino điểu khiển servo 5V 2W
9
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Hình 2.3. Tải tiêu thụ điện trong mơ hình
Giả thiết tấm pin mặt trời sẽ được hoạt động trong vịng 1h với cơng suất lớn nhất.
Khi đó mạch Arduino sẽ hoạt động điều hướng tấm pin mặt trời đồng thời trong 1h. Và
đèn led được sử dụng trong 30 phút sau khi sạc pin.
Công suất tiêu thụ điện là:
Pt = 1 x 30/60 + 2 x 1 = 2.5 Wh
2.2.2. Chọn ắc quy, pin
Hệ thống điện mặt trời độc lập cần một bộ lưu trữ điện để dùng vào ban đêm, hoặc
lúc khơng có nắng, ngồi ra cịn có chức năng ổn áp và cung cấp dòng ổn định cho
thiết bị cả ngày lẫn đêm.
Trong mơ hình này chúng tơi sử dụng 3 pin 3.7V mắc nối tiếp cho điện áp DC
11.1V. Dung lượng của pin hay ắc quy thường tính theo đơn vị ampe giờ Ah.
Theo tính tốn ở mục 2.2.1 và đối với điện áp DC 11.1V suy ra dung lượng pin
cần là:
Ap = 2.5 / 11.1 = 0.23 Ah
Trừ hao khoảng 30% hiệu suất của pin, ta chọn pin có dung lượng khoảng:
Act= 0.23 + 0.23 x 0.3 = 0.3 Ah
Do khơng có sẵn loại pin 0.3Ah nên trong mơ hình chúng tơi sử dụng pin có dung
lượng 1.2Ah có sẵn thay thế.
10
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Hình 2.4. Hình ảnh pin 18650
Thông số 1 viên pin:
-
Điện Áp: DC 3.7V (Khi đầy pin có thể lên đến 4.2V)
-
Khuyến cáo khơng sử dụng pin <2.5V, khi đó pin sẽ bị chết và khơng sử dụng
lại được
-
Pin có thể sử dụng được nhiều lần
-
Kích Thước: 65x18 mm
-
Kiểu 18650
-
Dung lượng: 1200mAH
-
Nhiệt Độ: -20 ℃ ~ 45 ℃
-
Pin cho phép sạc lại đến 1000 lần mà không làm giảm chất lượng pin
Khi mắc nối tiếp 3 viên pin loại này sẽ được pin 11.1V, 1200mAh cấp điện cho
Arduino và đèn led.
Hình 2.5. Hình ảnh 3 viên pin mắc nối tiếp
2.2.3. Chọn tấm pin mặt trời
11
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Hình 2.6. Hình ảnh tấm pin mặt trời
Mơ hình này cần 1 nguồn điện 12V để và sạc pin 11.1V
Giả sử một ngày nắng bình thường, lượng điện tạo ra trong 1h với cơng suất tối đa.
Lấy kết quả tính được ở mục 2.2.1 và 2.2.2, ta tính được tấm pin mặt trời cần tạo ra
lượng điện:
Qct = 0.23 x 12 = 2.76 Wh
Như vậy cần chọn tấm pin mặt trời 12V có cơng suất:
Pct = 2.76 / 1= 2.76 W
Trong mơ hình này chúng tơi sử dụng tấm pin mặt trời có thơng số:
-
Điện áp ra Pin : 12V
-
Dịng : 250mA
-
Cơng suất : 3W
-
Kích thước : 145x145mm
-
Pin cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đa tinh thể
2.2.4. Chọn bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời nằm giữa pin, ắc quy và tấm pin mặt trời.
Chức năng chính là duy trì điện áp ổn định để sạc cho pin, ắc quy.
Pin 11.1V DC nên dùng bộ điều khiển sạc có điện áp ra 11.1V, suy ra dịng điện 3W /
11.1V = 0.27A. Vậy ta chọn bộ sạc có điện áp ra 11.1V, dòng lớn hơn 0.27A.
Chức năng của mạch sạc pin:
-
Mạch sạc pin này có chức năng tự động ngắt sạc khi pin đầy và sạc khi pin hết.
-
Có đèn led báo đợc cấp nguồn và báo pin đang sạc hay pin đã đầy.
12
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin thiết kế trên trang web EasyEDA
Nguyên lý hoạt động của mạch:
-
Đấu dây của tấm pin mặt trời vào chân cổng IN.
-
Đèn led 3 báo có nguồn điện được cấp vào, điện trở R6 hạn dòng vào led 3.
-
Diode D1 có chức năng chỉ cho dịng điện đi theo 1 chiều khơng cho dịng điện
chạy ngược lại vào tấm pin mặt trời gây hỏng tấm pin mặt trời.
-
Tụ C1 giúp cho relay duy trì 1 thời gian ngắn, đủ để khi relay hoạt động, tiếp
điểm thường hở đóng lại. Mục đích là tránh hiện tượng relay đóng ngắt liên tục
do khơng tiếp xúc kịp, tạo trễ.
-
Diode D2 có tác dụng dập xung bảo vệ transistor do cuộn dây của relay tạo ra,
khi mạch đóng cắt liên tục.
-
Transistor Q1 NPN BC547C thực hiện chức năng kích sự đóng ngắt của relay
-
Relay SRD-12VDC-SL-C: thực hiện chức năng đóng ngắt khi sạc pin
Khi điện áp đo trên pin thấp hơn điện áp giới hạn dưới: tiếp điểm 4 đóng để sạc
pin và đèn led xanh sáng.
Khi điện áp đo trên pin cao hơn điện áp giới hạn trên: điện trở R1 và biến trở
RV1 có tác dụng phân áp cho chân B của transistor. Khi điện áp đặt tại chân B
của Q1 lớn hơn 0.6v thì ngay lập tức Transistor sẽ đóng lại, làm cho cuộn dây
của relay nhả tiếp điểm 4 và hút về tiếp điểm 3, dừng việc sạc pin và đèn led đỏ
sáng.
-
Điên trở R5 và biến trở VR2 có chức năng điều chỉnh điện áp ra để sạc pin
-
Điện trở R3, R4 để hạn dòng cho led1, led 2
-
Led 1: Đang sạc pin
-
Led 2: Pin đầy
-
Led 3: Báo nguồn được cấp
-
OUT: Cổng ra đấu với pin.
13
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Hình 2.8. Mạch in thiết kế trên trang web EasyEDA
Hình 2.9. Mạch sạc pin mô phỏng 3D trên trang web EasyEDA
2.2.5. Chọn inverter DC-DC
Do tải tiêu thụ dùng điện áp 5V nên cần thêm 1 mạch hạ áp từ 11.1V của pin
xuống 5V để cấp vào tải.
14
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
Hình 2.10. Mạch hạ áp DC-DC
Trong mơ hình này sử dụng mạch hạ áp có thơng số như sau:
-
Điện áp vào: DC 4 - 38V
-
Điện Áp Ra: DC 1.25 - 36V
-
Điện áp vào luôn lớn hơn điện áp ra 1.5V
-
Dòng ra: Max 5A
-
Led hiển thị điện áp ra màu đỏ 0.36 inch.
-
Kích thước: 60x37MM
-
Ốc Vít:1x4 M3 (3mm)
-
Có nút nhấn chọn ON/OFF LED 7 thanh hiển thị.
-
Có nút nhấn chọn hiển thị điện áp IN/OUT.
-
Module có chức năng bảo vệ ngược áp đầu IN.
15
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
2.2.6. Sơ đồ ngun lý mạch sạc pin – tải tiêu thụ
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin – tải tiêu thụ
Giải thích ngun lý hoạt động:
-
Dịng điện thừ tấm pin mặt trời được truyền qua một bản mạch sạc pin.
-
Mạch sạc pin có chức năng đóng ngắt sạc khi pin đầy.
-
Nguồn pin tích trữ được cấp cho tải gồm: đèn led chiếu sáng 5V 1W, cổng USB
để sạc pin điện thoại, KIT Arduino điều hướn tấm pin mặt trời.
-
Do tải đèn led và cổng USB có điện áp định mức là 5V nên cần 1 mạch hạ áp
phía trước để chuyển hạ áp pin từ 11.1V xuống 5V.
-
KIT Arduino có điện áp định mức từ 5-20V nên đợc cấp điện trực tiếp từ pin,
khơng qua mạch hạ áp.
-
Có thể sạc pin bằng nguồn ngồi khi khơng có điện từ pin mặt trời.
16
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
2.3. Tính tốn thiết kế bộ điều hướng tấm pin mặt trời
2.3.1. Thiết kế mơ phỏng mơ hình trên phần mềm 3D
Hình 2.12. Mơ hình được thiết kế mơ phỏng trên phần mềm Solidworks
Phần giá đỡ, khung mơ hình được làm từ các tấm mica màu đen dày 5mm, lắp
ghép bằng bulong, đai ốc M4. Các tấm mica được gia công bằng máy CNC Laser.
17
Báo cáo mơ hình pin mặt trời
2.3.2 Tính tốn chọn servo dẫn động
Tấm pin mặt trời được điều hướng bằng 2 servo:
Tấm pin mặt trời
Servo 2
Servo 1
Hình 2.13. Vị trí lắp servo
Tính tốn tải:
-
Servo1 chịu cái tải: cụm mica phía trên và tấm pin mặt trời với khối lượng
khoảng 0.4 kg
-
Servo2 chịu cái tải: tấm mica phía trên và tấm pin mặt trời với khối lượng
khoảng 0.2kg
Do đó ta chọn 2 servo SG90 có thơng số:
-
Điện áp hoạt động: 4.8V đến 6V
-
Lực kéo: 1.8kg (4.8V)
-
Trọng lượng: 9g
-
Kích thước: L23xW12xH29 (mm)
-
Dạng motor: 3 cực
-
Độ rộng xung: 500 - 2400 us
-
Góc quay servo: 360°
Để đảm bảo an tồn, chúng tơi chỉ cho phép servo quay từ 20-160 độ
18
