Đồ án Mô hình tự động điều khiển pin mặt trời

51 trang thiennha21 14/04/2022 25438

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Mô hình tự động điều khiển pin mặt trời", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_mo_hinh_tu_dong_dieu_khien_pin_mat_troi.pdf

Nội dung text: Đồ án Mô hình tự động điều khiển pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU BỘ MÔN– ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐĐỒỒ ÁÁNN TTỐỐTT NNGGHHIIỆỆPP Đề tài MMÔÔ HHÌÌNNHH TTỰỰ ĐĐỘỘNNGG ĐĐIIỀỀUU KKHHIIỂỂNN PPIINN MMẶẶTT TTRRỜỜII 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 Silic. Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2. 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 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. 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 kilowatt/m2 (Chính xác là 1,34 KW/m2: 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 (PbO2). 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 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2 V do đó để đạt được các mức 6, 12 V thì ắc quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ với nhau. Ví dụ ghép 3 ngăn để thành ắc quy 6V, ghép 6 ngăn để thành ắc quy 12V. Hình 2.19. Các ngăn Ắc quy Mặc dù điện áp của các ắc quy là một số chẵn của 2, ví dụ như ắc quy 2V, 6V, 12V, 24V nhưng trên thực tế thì điện áp thông thường của các ắc quy không như vậy. Mức điện áp mà các ắc quy cung cấp thường lớn hơn so với định mức của chúng. Ví dụ như ắc quy 12V sẽ cung cấp mức điện áp tới 13V hoặc hơn. Có điều có vẻ vô lý này cũng xuất phát từ mức độ điện áp trên mỗi ngăn bình của chúng: Mức điện áp mỗi ngăn bình ắc quy a-xít là 2,1 đến 2,2 V (±0,05V). Do tính chất cố hữu của ắc quy axit mà các ngăn của chúng không thể có mức điện áp cao hơn. Cũng để đánh giá dung lượng của ắc quy a-xít, người ta có các thí nghiệm đo đạc và cho thấy dung lượng ắc quy phụ thuộc vào mức độ điện áp (lúc không phát dòng) như hình sau: Hình 2.20. Biểu đồ điện áp. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 26 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Bảng dưới đúng trong trường hợp ắc quy không mang tải, điều đó có nghĩa là nếu như kích điện đang hoạt động và bạn đo được điện áp các ắc quy là một số lượng nào đó thì không thể lấy giá trị đó để đánh giá lưu lượng bình ắc quy còn lại (là bao nhiêu %). Điều này bởi vì khi phát dòng thì các ắc quy có điện áp tụt xuống, trong trường hợp không phát dòng nữa thì mức điện áp đo được mới phản ánh đúng trạng thái dung lượng còn lại của ắc quy. Khi đang phát dòng thì điện áp ắc quy giảm xuống. Nếu biểu diễn ở dạng bảng thì thông số như bảng dưới đây. Nếu như ắc quy thuộc loại 24V thì nhân thông số ở mục điện áp một ngăn với 12. Dung lượng Điện áp ắc quy 12V Điện áp một ngăn 100% 12.7 2.12 90% 12.5 2.08 80% 12.42 2.07 70% 12.32 2.05 60% 12.20 2.03 50% 12.06 2.01 40% 11.9 1.98 30% 11.75 1.96 20% 11.58 1.93 10% 11.31 1.89 0 10.5 1.75 Cũng theo bảng trên thì dung lượng ắcquy sẽ cạn kiệt ở mức điện áp 10.5V, một số kích điện loại "điện tử" (tức là theo dõi được mức độ điện áp đầu vào) sẽ lấy mốc 10.7V để ngừng hoạt động nhằm tránh cho sự sử dụng ắc quy cạn kệt (gây hại cho ắc quy). Điều đó là hợp lý bởi nếu như sử dụng điện từ ắc quy ở trạng thái cạn kiệt thì các bản cực của ắc quy sẽ nhanh bị hư hỏng, dẫn đến hư hỏng chung cho toàn bộ ắc quy (trong một ắc quy 12V, chỉ một trong 6 ngăn hư hỏng thì toàn bộ ắc quy đó sẽ hư hỏng). Các ắc quy thông dụng thường chế tạo ở mức điện áp 12V, số lượng ít hơn là các ắc quy 6V dùng cho một số quạt hoặc đèn tích điện. Các ắc quy 24V trở lên không phải là không có nhưng rất hiếm và thường việc tìm kiếm thay thế cho các ắcquy này rất khó khăn (ở nơi làm việc cũ của mình có một xe chạy điện sử dụng ắcquy 24V, khi nó hỏng thì rất khó mua ắc quy này). Vậy nếu như kích điện của bạn sử dụng mức SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 27 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp điện áp 24V thì bạn nên dùng nối tiếp các ắc quy 12V (tốt nhất là có cùng hãng sản xuất, cùng dung lượng và cùng lô sản xuất) lại với nhau chứ không nên nhất thiết phải tìm kiếm đúng loại ắc quy 24V cho chúng. Dung lượng ắc quy và ảnh hưởng bởi chế độ phóng: Dung lượng là thông số cơ bản, tham số này cho biết được khả năng lưu trữ điện năng của ắc quy. Đơn vị tính của thông số này được tính thông dụng theo Ah (Ampe giờ), một số ắc quy nhỏ hơn (và thường là các pin) thì tính theo mức mAh (mili-ampe giờ). Một cách đơn giản để dễ hình dung về tham số dung lượng ắc quy như sau: Ah là tham số bằng số dòng điện phát ra (tính bằng Ampe) trong khoảng thời gian nào đó (tính bằng giờ). Ví dụ như ắc quy 10 Ah thì có thể phát một dòng điện 10A trong vòng một giờ, hoặc 5A trong 2 giờ, hay 1A trong 10. Nhưng trên thực tế thì dung lượng ắc quy lại bị thay đổi tuỳ theo cường độ dòng điện phóng ra. Nếu dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng ắcquy còn lại càng nhỏ và ngược lại, dòng điện phóng nhỏ thì dung lượng được bảo toàn ở mức cao. Các tham số khác của ắc quy như sau: Dòng khởi động nguội CCA (Cold Cranking Amps) là một tham số thường được quan tâm khi dùng ắc quy cho các ô tô mà chủ yếu là dùng cho khởi động. Dòng khởi động nguội là dòng điện có thể phát ra được trong trạng thái nhiệt độ 0 độ F (tức bẳng - 17,7 độ C) trong vòng 30 giây. Tham số này thường chỉ được quan tâm tại các nước có nhiệt độ thấp (dưới 0 độ C), khi đó việc khởi động của động cơ gặp khó khăn vì độ nhớt dầu không đảm bảo và việc các phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện nhiệt độ thấp thường khó khăn hơn so với khi ở nhiệt độ cao. Dòng khởi động nóng HCA (Hot Cranking Amps) tương tự như dòng khởi động nguội, nhưng nó được tính tại nhiệt độ 80 độ F (khoảng 26,7 độ C). Tham số này thường ít quan trọng hơn so với thông số khởi động nguội (và thông số này cũng ít khi được ghi vào nhãn của các ắc quy). Dung lượng RC (Reserve Capacity) là tham số thể hiện thời gian phóng điện với dòng 25A ở nhiệt độ 25 độ C cho đến khi điện áp ắc quy hạ xuống dưới mức sử dụng được. Thông số này khá trực quan, thể hiện sự hoạt động liên tục của ắc quy ở chế độ bình thường với nhu cầu sử dụng thông thường (đa phần người dùng kích điện thường phát dòng ở mức này). Trên đây là các thông số của một ắc quy. Tất cả các ắc quy đều ghi thông số về điện áp và dung lượng, còn lại hai thông số khá quan trọng sau nó là CCA và RC thì ít SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 28 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp được ghi trên nhãn của chúng hơn. Cá nhân tôi thì thường thiện cảm đối với các loại ắc quy được ghi rõ ràng các thông số như vậy bởi nó gần như một sự đảm bảo về chất lượng đã công bố. Thị trường hiện có hai loại ắc quy thông dụng là: ắc quy axít kiểu hở và ắcquy axít thiết kế theo kiểu kín khí – miễn bảo dưỡng (loại này hay bị gọi là ‘ắcquy khô’ nhưng thực ra thì dùng từ này là không đúng lắm bởi ắc quy khô một cách chính xác là loại ắc quy không dùng điện dịch). Ngoài hai loại thông dụng trên thì thị trường cũng có một số loại ắc quy khô một cách thực sự, chúng vẫn dùng cá bản cực bằng PbO2 và Pb với điện môi H2SO4 nhưng được trữ ở dạng keo sệt (gel). Ưu điểm của loại ắc quy này là chúng không gây mùi khó chịu khi nạp điện, không gây chảy axit khi bị vỡ, có SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 29 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp thể hoạt động ở các vị trí đặt khác nhau. Nhược điểm là chế độ nạp khắt khe và không chịu được quá nạp (khi nạp loại này chỉ được nạp với dòng nhỏ hơn 1/20 dung lượng), nếu thường xuyên quá nạp loại ắc quy này thì tuổi thọ của chúng sẽ giảm rất nhanh. So bảng trên thì bạn thấy rằng ắc quy kín khí sẽ có nhiều ưu việt hơn so với ắcquy axít thông thường, nếu tình hình tài chỉnh cho phép thì bạn nên chọn loại ắc quy kín khí. Nếu sử dụng loại ắc quy axít thông thường thì cần lưu ý đến điều chỉnh dòng nạp và đặc biệt lưu ý không gây phát sinh tia lửa (do chạm chập dây hoặc hút thuốc) gần ắc quy khi nạp bởi chúng dễ gây cháy nổ hơn loại kín khí (quá trình nạp có thể xảy ra sự điện phân nước để tạo ra hai chất khí dễ cháy nổ là Hiđrô và ôxy). 2.8. Lựa chọn động cơ. 2.8.1. Động cơ Servo Động cơ servo bản chất chỉ là một động cơ DC thông thường được sắp xếp làm nhiệm vụ kéo truyền động cho một khối giảm tốc bao gồm các bánh răng. Mục đích của việc này là để giảm tốc độ vòng tua và tăng momen xoắn. Động cơ DC này được ghép với một mạch điều khiển có chức năng xác định góc quay của bánh răng cuối cùng và đóng vai trò như một cầu H (Half Bridge) dùng để đảo chiều cho động cơ DC quay ngược và quay xuôi. Chính nhờ ưu thế là cho momen xoắn rất lớn (có thể đạt tới lực kéo 18Nm tại điện áp 5V) và một góc quay chính xác tuyệt đối nên Động cơ SERVO rất dễ dàng để có thể điều khiển một hệ thống giá đỡ pin nặng, và cho một góc định hướng chính xác tuyệt đối. Hình 4.8: Cấu tạo của động cơ SERVO Cách thức điều khiển động cơ Servo cũng tương đối dễ. Tại chân nhận tín hiệu điều khiển của động cơ Servo cấp một tín hiệu xung vuông có tần số khoảng 50Hz. Góc quay của động cơ servo sẽ phụ thuộc vào độ rộng xung (Duty Cycle) của tín hiệu xung này. Ví dụ khi tín hiệu xung có duty = 1% thì động cơ SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 30 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp sẽ quay góc 0 độ, khi tín hiệu này có duty bằng 50% thì động cơ sẽ quay góc 90 độ, Hình 4.9: Mô tả sơ lược về cách động cơ SE. CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 3.1. Ngôn ngữ lập trình. Arduino được sử dụng rất nhiều trong các chương trình giáo dục trên toàn thế giới, đặc biệt đối với các nhà thiết kế và nghệ sĩ những người muốn tạo ra những cái mới độc đáo mà không cần am hiểu sâu về vấn đề của kỹ thuật. Bởi vì Arduino được thiết kế đơn giản hóa rất nhiều cho người lập trình, kho thư viện lớp giúp Arduino giải quyết được nhiều bài toán khó một cách đơn giản hơn so với các ngôn ngữ lập trình khác. 3.2. Phần mềm phụ trợ. Ta sử dụng 2 phần mềm hỗ trợ đó là phần mềm thiết kế mạch Proteus và phần mềm ARDUINO 1.6.0 lập trình, nạp code cho vi xử lý. 3.2.1. Phần mềm Proteus. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 31 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola. Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in. Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiển khá tốt, nó hỗ trợ các dòng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, ngoài ra, còn mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả. Hình 3.1. Giao diện Proteus khi khởi động. 3.2.2. Phầm mềm Arduino. 3.2.2.1. Giới thiệu về Arduino. Phần mềm Arduino (Arduino IDE) là phần mềm chạy trên máy tính, hỗ trợ người dùng viết chương trình, biên dịch và nạp chương trình vào bo Arduino. Một số đặc điểm của Arduino IDE: - Hỗ trợ Windows, Mac OS X, Linux. - Giao diện đơn giản dễ sử dụng. - Có thể chạy ngay không cần cài đặt. - Mã nguồn mở. Các phiên bản Arduino IDE chính thức được cung cấp đầy đủ tại Arduino Software. Phiên bản ổn định mới nhật hiện tại là 1.0.5. Tùy theo hệ điều hành máy tính của mình, bạn có thể tải về theo các link sau: - Windows: (Bản cài đặt), (ZIP file, bản không cần cài đặt). SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 32 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp - Mac OS X. - Linux: 32 bit, 64 bit. - Source. - Cài đặt Trên hệ điều hành Windows: Nếu bạn tải về phiên bản cài đặt (Windows Installer): Bạn cần tiến hành cài đặt trước khi sử dụng. Bạn nhấp đúp vào tập tin đã tải về (arduino-1.5.5-r2-windows.exe) và làm theo hướng dẫn của chương trình cài đặt. Sau khi cài đặt hoàn tất bạn có thể vào Start → Arduino để chạy chương trình. Nếu bạn tải về phiên bản không cần cài đặt (ZIP file): Bạn chỉ cần giả nén tập tin đã tải về (arduino-1.5.5-r2-windows.zip) vào một thư mục bất kỳ trên máy của mình. Sau khi giải nén bạn nhấp đúp vào tập tin Arduino.exe để chạy chương trình. Trên hệ điều hành MAC OS: Tương tự như cài đặt trên Windows.Trên hệ điều hành Linux: Tương tự như cài đặt trên Windows. Kết nối bo Arduino với máy tính. Đối với bo Arduino có trang bị sẵn mạch nạp - mạch nạp onboard. Ví dụ như ChipiUNO hay ChipiPRO (phiên bản có mạch nạp sẵn), trên mạch thường có một cổng USB. Bạn chỉ cần sử dụng một cáp USB để kết nối bo mạch Arduino với máy tính thông qua cổng USB này. Đối với bo Arduino không có trang bị sẵn mạch nạp, như ChipiPRO (phiên bản không có mạch nạp sẵn). Bạn cần thêm một mạch nạp, như USB to Serial - FTDI làm trung gian giữa máy tính và bo Arduino của bạn. Kết nối mạch nạp với bo Arduino thông qua hàng rào 6, và kết nối mạch nạp với máy tính thông qua cáp USB. Cài đặt Driver: Thông thường thì khi kết nối bo Arduino với máy tính lần đầu tiên, một driver trên máy tính sẽ được yêu cầu cài đặt, việc này nhằm giúp máy tính và bo Arduino hiểu nhau và giao tiếp được với nhau. Đối với đa số trường hợp thì quá trình này sẽ được tự động, bạn chỉ việc kết nối bo với máy tính và đợi giây lát để hệ thống làm việc. Để kiểm tra bạn có thể mở phần mềm Arduino, đã hướng dẫn cài đặt ở trên, vào menu Tools → Serial Port, bạn sẽ thấy có một menu dạng COMx mới xuất hiện, với x là một số chỉ thứ tự của cổng COM trong hệ thống. Khi ngắt kết nối giữa bo Arduino với máy tính thì menu này sẽ mất đi. Trong trường hợp hệ thống không tự cài đặt driver được, khi đó sẽ cần đến sự trợ giúp của bạn. Xem SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 33 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp thêm Cài đặt Driver FTDI. Nạp chương trình đầu tiên cho bo Arduino của bạn. Ở phần này, chúng tôi sẽ hướng dẫn bạn cách sử dụng phần mềm Arduino để nạp một chương trình cho bo Arduino của bạn. Theo mặc định, một số ứng dụng mẫu đã được cài đặt kèm theo khi bạn cài đặt phần mềm Arduino. Bạn có thể xem trong phần mềm Arduino bằng cách vào menu File → Examples. Bạn làm theo các bước sau để nạp chương trình Blink (chớp LED D13 có sẵn trên bo Arduino): Hình 3.2. Giao diện phần mềm Arduino. Kết nối bo Arduino với máy tính thông qua cáp USB, chắc chắn rằng bạn đã cài đặt Driver. Việc cài đặt Driver đã hướng dẫn ở trên. Mở phần mềm Arduino. Chọn loại bo: vào menu Tools→Board→Nếu bạn dùng ChipiUNO thì chọn Arduino Uno. Nếu bạn dùng ChipiPRO thì chọn Arduino Pro or Pro Mini (5V, 16MHz) w/ ATmega328. Chọn Serial Port: vào menu Tools→Port→Chọn cổng COM tương ứng với bo Arduino của bạn. Mở Example Blink bằng cách vào menu File→Examples→01.Basics→Blink. Thực hiện nạp chương trình xuống bo Arduino bằng 1 trong 3 cách sau: Nhấp vào nút Upload (có hình mũi tên từ trái qua phải). Vào menu File→Upload Nhấn tổ hợp phím Ctrl+U. Sau khi nạp chương trình từ máy tính xuống bo thành SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 34 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp công, dòng Upload done sẽ xuất hiện phía dưới cửa sổ phần mềm Arduino. 3.2.2.2. Cấu trúc của một chương trình lập trình Arduino. Cũng như các ngôn ngữ lập trình khác, ngôn ngữ trong Arduino sử dụng ngôn ngữ C, cấu trúc một chương trình Arduino bao gồm 2 phần chính: void setup() { Thực hiện việc thiết lập ban đầu cho các ứng dụng. } Void loop() { Vòng lặp thực hiện chương trình. } Hàm setup() được sử dụng để khởi tạo giá trị các biến, thiết lập chế độ chân, bắt đầu sử dụng các thư viện Hàm setup chỉ thực hiện một lần khi cấp nguồn hoặc reset Arduino. Hàm loop() được hiểu như là chương trình chính, thực hiện các chức năng được lập trình và có tính lặp lại liên tục. 3.2.2.3. Một số ví dụ lập trình các ứng dụng. Trong Arduino hỗ trợ rất nhiều ví dụ với các thư viện mở, có thể sử dụng tùy vào mục đích mà điều chỉnh cho phù hợp. Lập trình Điều khiển led: Trong hình led được kết nối tới chân 13 của arduino board, với hiệu ứng nhấp nháy cách nhau 1 giây. Chương trình lập trình như sau: int led =13; // khoi tao chan led la 13 voidsetup(){ pinMode(led,OUTPUT); // chon che do ra } voidloop(){ digitalWrite(led,HIGH); // xuat muc 1 ra chan led delay(1000); // tre 1s digitalWrite(led,LOW); // xuat muc thap ra led delay(1000); // tre1s SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 35 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp } Hình 3.3. Ví dụ điều khiển Led và truyền thông nối tiếp. Lập trình gửi dữ liệu ra cổng truyền thông nối tiếp: Ta có thể gửi text hoặc data từ Arduino và có thể hiển thị trên máy tính. Chương trình dưới đây gửi lần lần lượt các số từ Arduino hiển thị trên Serial Monitor: void setup() { Serial.begin(9600); // tốc độ gửi và nhận là 9600 baud } int number = 0; void loop() { Serial.print("The number is "); // gui ra cong noi tiep Serial.println(number); // gửi số qua cổng nối tiếp delay(500); // trễ 500us giữa 2 số number++; // tăng số lên 1 đơn vị } SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 36 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 4.1. Giới thiệu mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) Theo khảo sát, tại một vị trí trong một ngày hè trung bình sẽ được chiếu sang khoảng 8 tiếng bởi mặt trời (khoảng từ 8h sang đến 16h chiều). Trong khoảng thời gian từ 11h đến 13h, mặt đất sẽ nhận được cường độ ánh sáng mạnh nhất và sau đó giảm dần. Lúc này các tia bức xạ từ mặt trời chiếu vuông góc với mặt đất. Tại vị trí này, đặt một tấm pin mặt trời cố định song song với mặt đất thì chỉ đạt hiệu suất lớn nhất trong khoảng thời gian từ 11h đến 13h. Bảng hiệu suất của hai loại pin mặt trời phổ biến nhất là Mono và Poly trong các khoảng thời gian chiếu sáng trong ngày (khi đặt trong hệ thống đỡ pin cố định): Bảng 4.1. Thời gian từ 8h Hiệu suất sử dụng pin mặt Hiệu suất sử dụng pin mặt đến 16h. trời monocrystalline. trời polycrystalline. Từ 8h đến 11h >= 70% >50% Từ 11h đến 13h 70% => 90% 50% => 90% Từ 13h đến 16h >= 80% >75% Pin mặt trời Monocrystalline là loại pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể, đạt hiệu suất tốt trong điều kiện ánh sang thấp. Pin mặt trời Polycrystalline là loại pin đa tinh thể, ưu điểm giá rẻ hơn nhiều so với loại đơn tinh thể Mono nhưng nhược điểm là đạt hiệu suất thấp hơn loại Mono trong cùng điều kiện ánh sang thấp. Như vậy, dựa vào bảng thống kê từ trang Wikipedia, nhận thấy khi sử dụng pin mặt trời với hệ thống đỡ pin cố định thì khoảng thời gian tốt nhất để một tấm Pin năng lượng mặt trời cho hiệu suất tối đa trong 2 giờ (khoảng 11h đến 13h). Vì vậy, việc sử dụng pin sẽ không hiệu quả, không khai thác tối đa nguồn tài nguyên vô tận này. Để khắc phục nhược điểm hệ thống pin mặt trời trên. Đề tài nghiên cứu hệ thống pin mặt trời được đặt trên hệ thống tự động điều hướng, hệ thống không sử dụng thời gian thực để điều chỉnh góc quay của pin mặt trời mà sử dụng chính tia bức xạ của mặt trời để điều chỉnh góc quay cho pin mặt trời luôn luôn vuông góc với tia bức xạ phát ra. Phương pháp này có ưu điểm là luôn luôn cho độ chính xác (vì không phải phụ thuộc SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 37 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp vào thời gian và không chịu tác động của sự dịch chuyển cơ động địa chất), pin mặt trời luôn luôn được hướng vuông góc về nơi có ánh sang mạnh nhất. Do đó, hệ thống pin sẽ luôn cho ra một hiệu suất cao nhất. Bằng thực nghiệm đo lường của nhóm tác giả, so sánh hiệu suất của cùng một tấm pin năng lượng mặt trời Mono 18V, 6W khi đặt trên hệ thống giá đỡ pin cố định và khi đặt trên hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời trong khoảng thời gian 8 giờ (khoảng 9h sang đến 5h chiều) cho ra kết quả sau: Lưu ý: Số liệu này được lấy từ kết quả của mỗi lần đo trong từng thời điểm khác nhau. Hiệu suất được tính bằng kết quả đo trung bình trong khoảng thời gian đó chia cho kết quả đo lớn nhất, không phải hiệu suất chuyển từ quang năng sang điện năng của viên pin năng lượng mặt trời. Bảng 4.2. Thời gian từ 9h Hiệu suất pin khi đặt trên giá cố Hiệu suất pin khi đặt trên mô đến 17h định (song song với mặt đất) hình tự động điều hướng Từ 9h đến 11h ≥ 70% ≈ 85% Từ 11h đến 13h 70% ÷ 90% ≈ 90% Từ 13h đến 17h ≥ 65% 80% ÷ 85% Bảng thống kê hiệu suất của tấm pin Mono 18V, 6W khi đặt trên hệ thống giá đỡ pin cố định và hệ thống tự động điều hướng trong cùng một khoảng thời gian. Như vậy, dựa vào bảng thống kê hiệu suất của một viên pin trong hai trường hợp (đặt trên hệ thống giá đỡ cố định và khi đặt trên hệ thống tự động điều hướng) ta thấy tuy cùng một viên pin nhưng hiệu suất có sự chênh lệch đáng kể. Đối với pin khi đặt trên hệ thống giá đỡ cố định thì thời gian pin cho hiệu suất tốt nhất sẽ rơi vào khoảng từ 11h đến 13h. Ngoài khoảng thời gian này, hiệu suất sẽ giảm dần (từ 11h trở về trước và từ 13h trở về sau). Còn đối với pin mặt trời khi được đặt trên hệ thống giá đỡ pin tự động điều hướng thì hiệu suất luôn luôn được giữ ổn định trong khoảng từ 80% đến 90%. Điều này giúp chúng ta khai thác được nguồn năng lượng từ Mặt trời một cách lớn nhất, giảm tối đa việc phụ thuộc quá nhiều vào các đơn vị phân phối điện đồng thời giảm được tình trạng ô nhiễm môi trường. Đối với hệ thống lớn, còn có thể sử dụng năng lượng tái tạo từ mặt trời để bán ngược lại cho các hệ thống phân phối. Do đó tiết kiệm được đáng kể phí tiền điện hàng tháng. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 38 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp 4.2. Thiết kế phần cứng. 4.2.1. Phần kết cấu cơ khí. Phần khung được thiết kế, chế tạo bằng vật liệu chính bằng nhôm, sử dụng hộp nhôm 10mmx25mm. Ưu điểm nhẹ, dễ gia công cắt gọt, đảm bảo độ cứng và giá thành rẻ. Hình 4.1. Khung giá đỡ bằng nhôm. Phần vỏ hộp làm bằng chất liệu hợp kim nhôm. Aluminium composite panel thường được gọi là tấm ốp hợp kim nhôm nhựa được dùng làm vật liệu ốp bề mặt. Tấm nhôm nhẹ, có nhiều màu sắc, hoa văn, độ chính xác cao, dễ làm vệ sinh và hạn chế việc truyền âm và cách nhiệt. Hình 4.2. Tấm Aluminium. Toàn bộ hợp kim nhôm Aluminium, có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn gấp 3 lần so với chất liệu thép. Nhìn chung, tấm nhôm hỗn hợp (aluminum composite panel) thường dày 4mm (có loại 3-6mm) được ghép bởi 2 lớp nhôm chống ăn mòn, mỗi lớp nhôm dày 0,5mm, với lõi ở giữa bằng polyethylene - một loại nhựa chống cháy dày 3mm. Nhà sản xuất đưa thông số là sản phẩm có trọng lượng riêng chỉ bằng 1/2 trọng lượng của tấm nhôm đồng chất cùng bề dày mà độ cứng tương đương. Do đó, tấm hỗn hợp nhẹ dễ lắp đặt, thi công như: uốn cong, uốn góc, cắt, xẻ rãnh Tính năng khác, là chống ăn mòn và có khả năng thích ứng với thời tiết; chịu được tác động bởi nhiệt độ từ -50oC đến 80oC. Alu có độ bền hóa học cao, kháng mòn, chống ôxy hóa, bền màu trong cả môi trường SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 39 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp nước, dầu, axit và đặc biệt là không cong vênh. Theo những con số các nhà khoa học khảo cứu thì những tấm Alu thành phẩm không bị tác động bởi các điều kiện về nhiệt độ trong một dải nhiệt chạy từ - 500oC tới + 800oC và nhờ có những tính năng phức hợp của công nghệ mới nên bề mặt của những tấm lợp chống lại được sự ăn mòn của môi trường, sự xâm thực của nhiệt độ. 4.2.1. Phần kết cấu động cơ. Động cơ RC Servo MG996 là phiên bản nâng cấp của MG995, dòng RC Servo MG996, 995 thiên về tốc độ phản ứng nhanh, là loại thường được sử dụng nhiều nhất trong các thiết kế Robot hoặc dẫn hướng xe. Động cơ RC Servo MG996 có lực kéo mạnh, các khớp và bánh răng được làm hoàn toàn bằng kim loại nên có bền cao, động cơ được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ bên trong theo cơ chế phát xung – quay góc nên rất dễ sử dụng. - Chủng loại: Analog RC Servo; - Điện áp hoạt động: 4.8 – 6.6V DC; - Kích thước: 40mm x 19mm x 43mm; Trọng lượng: 55g; - Lực kéo: 9.4kg-cm at 4.8V; 11kg-cm at 6V; - Tốc độ quay: 0.19sec/60 degrees (4.8V no load); 0.15sec/60 degrees (6.0 no load); - Phạm vi quay: 180°. Hình 4.7. Hình ảnh servo MG996 và mặt cắt. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 40 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp 4.3.Thiết kế thi công phần vi xử lý và cảm biến. 4.3.1. Sơ đồ nguyên lí. Mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) được sử dụng sơ đồ nguyên lý sau: 4.3 Sơ đồ nguyên lí mô hình tự động điều hướng pin mặt trời 4.3.2. Nguyên lý hoạt động. Đối với sơ đồ nguyên lý ở hình 4.3, nguyên lý hoạt động rất đơn giản. Hệ thống cảm biến bao gồm 4 quang trở sẽ làm nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ nguồn sáng. Giữa 4 quang trở này sẽ có một vách ngăn hình chữ Thập làm nhiệm vụ phân chia 4 cảm biến quang trở thành 4 hướng khác nhau riêng biệt. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 41 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Vách ngăn này sẽ làm nhiệm vụ định hướng cho 4 quang trở luôn luôn hướng về phía có nguồn sáng mạnh nhất, cụ thể là Mặt trời. Khi cụm cảm biến vuông góc với tia bức xạ cảu mặt trời, giá trị của 4 cảm biến sẽ bằng nhau. Tín hiệu từ cụm cảm biến sẽ được truyền trực tiếp về phần tử trung tâm điều khiển KIT Atmega8. Tại đây, Arduino sẽ tính toán bằng cách lấy giá trị trung bình của hai cảm biến quang trở liền kề trừ đi giá trị trung bình của hai cảm biến quang trở còn lại. Nếu giá trị này dương, nó sẽ điều khiển độ rộng xung duty cycle cho động cơ servo quay theo một chiều (sang trái hoặc sang phải). Ngược lại, nếu được giá trị âm, Arduino sẽ điều khiển cho động cơ servo quay theo chiều ngược lại. Điều này áp dụng cho cả hai động cơ điều khiển trục X và trục Z. Nếu KIT Atmega8 tín giá trị bằng 0, ngừng cấp xung đến hai động cơ khiến nó ngừng quay và hệ thống giá đỡ pin được giữ ở một trạng thái cố định. Tín hiệu điện thu được từ pin mặt trời được sử dụng hiển thị trực tiếp lên đồng hồ hiển thị điện áp, đơn vị Vol. Đồng thời nạp trực tiếp vào viên Pin Lithium có điện áp 3V, dung lượng 3000mAh. Thiết kế khối vi xử lý dựa trên module Aduino UNO, gồm 5 khối cơ bản: khối nguồn DC 5V, khối RESET, khối LED báo, khối dao động, khối nạp. Sử dụng vi xử lý Atemega 328. Để lập trình, làm việc được với khối vi xử lý trên phần mềm Arduino thì Atemega 328 cần được nạp Bootloader. Bootloader là một chương trình nhỏ được nạp sẵn vào chip vi điều (VĐK) khiển trên Arduino. Việc lập trình cho Arduino một cách dễ dàng được là nhờ chương trình nhỏ bootloader này. Nếu không có bootloader, sẽ không thể upload chương trình lên vi điều khiển trên Arduino theo cách thông thường. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 42 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Hình 4.4. Mạch in khối vi điều khiển Arduino. Hình 4.5. Mạch in khối cảm biến hướng sáng Sử dụng cảm biến quang trở đơn giản, hoạt động dựa trên nguyên lý giá trị điện trở thay đổi khi ánh sáng chiếu vào thay đổi. Giá trị điện trở tại 4 quang trở khác nhau từ đó vi điều khiển sẽ điều khiển động cơ servo. Sử dụng động cơ servo RC MG996. 4.4. Thiết kế phần mềm. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 43 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp 4.4.1. Lưu đồ thuật toán. Bắt đầu Khởi tạo các thư viện Arduino Uno, servo Có tín hiệu từ quang trở S Đ Điều chỉnh góc quay Servo ( Tấm solar cell) Nạp vào Ác quy Tải xoay chiều Kết thúc SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 44 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Bắt đầu chương trình ta cần phải khởi tạo các thư viện cho Arduino, Servo. Sau đó cảm biến ánh sáng quang trở hoạt động, dựa vào 4 quang trở để so sáng độ sáng giữa 4 hướng, nếu giá trị điện trở tại 4 quang trở khác nhau, arduino sẽ ra lệnh điều khiển servo thay đổi góc quay tấm pin đến khi giá trị điện trở tại 4 quang trở bằng nhau, tức là khi đó tấm pin solar đã quay đúng hướng sáng cần điều khiển. Trong quá trình hoạt động, hướng sáng mặt trời không thay đổi thì giá trị điện trở tại 4 quang trở không thay đổi, vi điều khiển sẽ không điều khiển servo và khi đó tấm pin solar vẫn giữ nguyên phương hướng ban đầu. 4.4.2.Code điều khiển chương trình hướng kép pin mặt trời Arduno #include // include Servo library // 180 horizontal MAX Servo horizontal; // horizontal servo int servoh = 90; // 90; // stand horizontal servo int servohLimitHigh = 170; int servohLimitLow = 5; // 65 degrees MAX Servo vertical; // vertical servo int servov = 45; // 90; // stand vertical servo int servovLimitHigh = 130; int servovLimitLow = 5; // LDR pin connections // name = analogpin; int ldrlt = 0; //LDR top left - BOTTOM LEFT < BDG int ldrrt = 1; //LDR top rigt - BOTTOM RIGHT int ldrld = 2; //LDR down left - TOP LEFT int ldrrd = 3; //ldr down rigt - TOP RIGHT void setup() { Serial.begin(9600); SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 45 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp // servo connections // name.attacht(pin); horizontal.attach(9); vertical.attach(10); horizontal.write(90); vertical.write(45); delay(3000); } void loop() { int lt = analogRead(ldrlt); // top left int rt = analogRead(ldrrt); // top right int ld = analogRead(ldrld); // down left int rd = analogRead(ldrrd); // down right // int dtime = analogRead(4)/20; // read potentiometers // int tol = analogRead(5)/4; int dtime = 10; int tol = 50; int avt = (lt + rt) / 2; // average value top int avd = (ld + rd) / 2; // average value down int avl = (lt + ld) / 2; // average value left int avr = (rt + rd) / 2; // average value right int dvert = avt - avd; // check the diffirence of up and down int dhoriz = avl - avr;// check the diffirence og left and rigt Serial.print(avt); Serial.print(" "); Serial.print(avd); Serial.print(" "); Serial.print(avl); SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 46 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Serial.print(" "); Serial.print(avr); Serial.print(" "); Serial.print(dtime); Serial.print(" "); Serial.print(tol); Serial.println(" "); if (-1*tol > dvert || dvert > tol) // check if the diffirence is in the tolerance else change vertical angle { if (avt > avd) { servov = ++servov; delay(100); if (servov > servovLimitHigh) { servov = servovLimitHigh; } } else if (avt dhoriz || dhoriz > tol) // check if the diffirence is in the tolerance else change horizontal angle { if (avl > avr) { servoh = servoh; delay(100); if (servoh < servohLimitLow) { servoh = servohLimitLow; } } else if (avl < avr) { SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 47 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp servoh = ++servoh; delay(100); if (servoh > servohLimitHigh) { servoh = servohLimitHigh; } } else if (avl = avr) { // nothing } horizontal.write(servoh); } delay(dtime); 4.2.3. Một số hình ảnh sản phẩm. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 48 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau khi hệ thống hoàn thiện và chạy thử nghiệm, đã đạt được một số kết quả sau: Ưu điểm: - Hệ thống cảm biến phương hướng ánh sáng tới chính xác, điều khiển tấm pin mặt trời đúng theo hướng ánh sáng tới. - Bộ phận sạc tự động sạc khi Ắc quy yếu. - Inverter cho ra điện áp 220V AC ổn định, chạy được các thiết bị tải trong gia đình có cống suất vừa và nhỏ. - Tín hiệu điện áp ra dạng sine wave Nhược điểm: - Bộ phận Inverter công suất chưa cao, chỉ đáp ứng được các thiết bị tải nhẹ. - Tấm pin solar công suất nhỏ nên thời gian sạc cho bình Ắc quy khá lâu Việt Nam vốn là một trong những vùng có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao trên thế giới. Hơn nữa, nước ta còn là một quốc gia đang phát triển, người dân nghèo còn nhiều, không phải ai cũng có khả năng sử dụng điện sinh hoạt với mức giá như hiện nay. Vì thế, năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp hoàn toàn phù hợp nếu được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Sản phẩm góp phần vào giảm thiểu sự phụ thuộc của mỗi gia đình, nhà máy, vào nguồn năng lượng điện quốc gia, hay các nguồn năng lượng không tái chế được. Đồng thời sản phẩm có thể được áp dụng vào học tập, thực hành, nghiên cứu và giảng dạy. Với tình trạng và tốc độ sử dụng năng lượng hóa thạch hiện nay thì trong tương lai sẽ có nhiều hệ thống pin năng lượng mặt trời được đưa vào sử dụng không những ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Hệ thống Solar Tracker cần được nâng cấp về công suất sản sinh điện bằng cách mở rộng kích thước, mật độ các tế bào quang điện của tấm solar cell, đồng thời nâng cấp chất lượng hệ thống Inverter đảm bảo công suất cao, chuẩn Sin hơn. Bên cạnh đó nguồn năng lượng dự trữ Ắc quy cũng cần được phát triển để có thể lưu trữ năng lượng được nhiều hơn. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 49 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Kiều Xuân Thực, Vũ Thị Thu Hương và Vũ Trung Kiên, 2008. Vi điều khiển cấu trúc lập trình và ứng dụng. Nhà xuất bản Giáo dục. Hà Nội. 199 trang. [2]. Nguyễn Ngọc Cương, Nguyễn Đình Nghĩa, Đỗ Quốc Huy, Trần Nghi Phú và Phạm Thành Công, 2011. Giáo trình Ngôn ngữ lập trình C/C++. Nhà xuất bản Thông Tin Và Truyền Thông. Hà Nội. 191 trang. [3]. Trần Thế San, Cơ sở nghiên cứu & sáng tạo robot, Nhà xuất bản Thống kê, 2003. [4]. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 50 -
Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 51 -