Thiết kế và gia công bộ chuyển đổi điện dùng trong năng lượng mặt trời

Đồ án môn học 2 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước mọi nhu cầu sản xuất, sinh hoạt đều sử dụng đến các máy móc thiết bị điện. Khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, sự quá tải hay bảo trì lưới điện của hệ thống điện lưới quốc gia làm chúng ta thường bị mất điện. Khi gặp những lúc mất điện,việc làm đầu tiên chúng ta phải cần đến một nguồn điện dự trữ để mang ra sử dụng. Ngày nay, hầu hết nguồn điện dự trữ được lưu trữ ở nguồn điện một chiều (DC) 6V, 12V hoặc 16V hay 24V, trong khi hầu hết các thiết bị điện của chúng ta sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC) 220V. Để sử dụng được các thiết bị điện, ta cần một mạch biến đổi điện áp 12V DC thành 220V AC. Thiết bị đó được gọi chung là nghịch lưu. Mạch này còn có thể được dùng với pin mặt trời để tạo ra hệ thống pin năng lượng mặt trời phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ở những nơi hải đảo, vùng sâu vùng xa hoặc những nơi chưa có nguồn điện lưới quốc gia phục vụ. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nêu trên đề tài “ Thiết kế và gia công bộ chuyển đổi điện dùng trong năng lượng mặt trời” hi vọng sẽ đem lại một phần lợi ích cho các cá nhân và tập thể trong việc sử dụng nguồn năng lượng mới góp phần phát triển đất nước ngày một tốt đẹp hơn. Đồ án môn học 2 2 LỜI CẢM ƠN Trước khi vào nội dung đồ án em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành đồ án này. Cùng toàn thể thầy cô bộ môn đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian học tại trường. Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện đồ án học phần này. Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình đã ủng hộ và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án này, em kính mong quý thầy cô chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hoàn thiện hơn kiến thức của mình và có thể tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có được. Đồ án môn học 2 3 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH SÁCH CÁC BẢNG ...................................................................................... iv DANH SÁCH CÁC HÌNH ......................................................................................... v Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................................. 7 1.1.Đặt vấn đề: ......................................................................................................... 7 1.2 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: ........................................................................... 7 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: ......................................................................................... 7 1.4 Phương pháp nghiên cứu: .................................................................................. 7 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................................. 8 2.1. Khái niệm về pin mặt trời: ................................................................................ 8 2.2. Khái niệm về bộ điều khiển sạc: ....................................................................... 9 2.3. Khái niệm về bộ đổi điện - INVERTER: ........................................................ 10 2.4. Khái niệm về BATTERY (Ắc-quy): ............................................................... 10 Chương 3: TÌM HIỂU LINH KIỆN VÀ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH NẠP ACQUY ..................................................................................... 11 3.1.Tìm hiểu chung về Arduino: ............................................................................ 11 3.1.1. Khái niệm Arduino: .................................................................................. 11 3.1.2. Các thông số Arduino: .............................................................................. 12 3.2. Tìm hiểu về biến trở: ...................................................................................... 13 3.3. Tìm hiểu về transistor công suất: .................................................................... 14 3.4. Tìm hiểu về xung PWM: ................................................................................ 15 3.4.1. Khái niệm về xung: .................................................................................. 15 Đồ án môn học 2 4 3.4.2. Xung PWM: ............................................................................................. 16 3.5. Relay (Rơ-le): ................................................................................................. 18 3.6. Đồng hồ hiển thị điện áp và hiệu điện thế (V-A): .......................................... 21 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH NẠP CHO BOAR ARDUINO .................................................. 23 4.1. Hướng dẫn cách nạp chương trình :................................................................ 23 4.2. Chương trình băm xung cho mạch nạp acquy: ............................................... 29 Chương V: KẾT LUẬN ............................................................................................................... 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 31 Đồ án môn học 2 5 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1. Thông số cơ bản của Arduino Uno R3.13 Bảng 3.2. Chu kì xung tương ứng khi sử dụng hàm analogWrite17 Đồ án môn học 2 6 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống pin mặt trời..8 Hình 2.2. Hình ảnh pin mặt trời9 Hình 2.3. Hình ảnh bộ điều khiển sạc..9 Hình 2.4. Hình ảnh bộ chuyển đổi DC-AC INVERTER10 Hình 2.5. Hình ảnh battery chuyên dùng cho điện năng lượng mặt trời10 Hình 3.1. Hình ảnh một số loại Arduino12 Hình 3.2. Một số hình ảnh về biến trở14 Hình 3.3. Hình dạng transistor D718..............15 Hình 3.4. Hình ảnh xung khi sử dụng với hàm analogWrite trong Arduino.17 Hình 3.5. Hình dáng của rơ-le.19 Hình 3.6. Thông số của rơ-le...19 Hình 3.7. Đồng hồ hiển thị vôn-ampe một chiều (DC)..21 Hình 3.8. Sơ đồ đấu dây đồng hồ21 Đồ án môn học 2 7 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề: Ngày nay, năng lượng mặt trời ngày càng trở nên quen thuộc với mọi người. Ngoài việc sưởi ấm cho con người và động vật trong quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng, nguồn năng lượng mặt trời còn sản xuất ra điện năng (thông qua pin năng lượng mặt trời). Tuy nhiên các hệ thống pin năng lượng này khi sản xuất ra điện năng với hiệu điện thế khá nhỏ (6V-24V) và là nguồn điện một chiều (DC). Trong khi đó các thiết bị điện gia đình sử dụng có điện áp khoảng 220V và là nguồn xoay chiều (AC). Vì vậy cần phải có bộ chuyển đổi điện áp từ 12VDC – 220VAC để các thiết bị sử dụng điện từ nguồn pin năng lượng mặt trời được hoạt động tốt. 1.2 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Đồ án được thực hiện với công suất tương đối nhỏ 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu nghiên cứu về nguồn năng lượng mặt trời đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi bởi những ưu điểm vượt trội có sẵn trong tự nhiên dồi dào không cạn kiệt, không phát sinh khí thải. Từ đó thiết kế và gia công bộ chuyển đổi điện áp dụng được vào quá trình vận hành chung của hệ thống pin năng lượng mặt trời. 1.4 Phương pháp nghiên cứu: Ở Việt Nam pin năng lượng mặt trời đã và đang phát triển, được ứng dụng nhiều với công suất khác nhau phục vụ cho nhu cầu chiếu sáng, sinh hoạt cũng như các hoạt động sản xuất hay ở những vùng biên giới hải đảo xa xôi không có lưới điện. Từ đó chúng ta có thể tự trang bị cho riêng mình bộ năng lượng mặt trời có thể sử dụng cho chiếu sáng trong gia đình vào buổi tối hay những lúc mất điện. Đồ án môn học 2 8 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống pin mặt trời (Nguồn: Theo solarpower.vn) 2.1. Khái niệm về pin mặt trời: Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán 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 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. Đồ án môn học 2 9 Hình 2.2. Hình ảnh pin mặt trời. (Nguồn: Theo pv complete zendesk.com) 2.2. Khái niệm về 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, và 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. - Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp. Hình 2.3. Hình ảnh bộ điều khiển sạc. (Nguồn: Đồ án môn học 2 10 2.3. Khái niệm về bộ đổi điện - INVERTER: - Là bộ biến điện nghịch lưu. Inverter chuyển đổi nguồn điện 12VDC từ acquy thành nguồn điện 220VAC. Được thiết kế với nhiều mức công suất khác nhau. - Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra: dạng sóng hình sin, giả sin, sóng vuông, sóng bậc thang, sóng răng cưa Hình 2.4. Hình ảnh bộ chuyển đổi DC-AC INVERTER (Nguồn: Theo Shop. Solarpower.vn) 2.4. Khái niệm về BATTERY (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 panel mặt trời . Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc-quy có dung lượng lớn hoặc sử dụng nhiều bình ắc - quy kết nối lại với nhau. Hình 2.5. Hình ảnh battery chuyên dùng cho điện năng lượng mặt trời (Nguồn: http:// pinsolar.net/san-pham/acquy-megasun-chuyen-dung-cho-dien-nang- luong-mat-troi) Đồ án môn học 2 11 Chương 3: TÌM HIỂU LINH KIỆN VÀ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH NẠP ACQUY * Tìm hiểu linh kiện : 3.1.Tìm hiểu chung về Arduino: 3.1.1. Khái niệm Arduino: Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Đồ án môn học 2 12 Hình 3.1. Hình ảnh một số loại Arduino (Nguồn: boards/) 3.1.2. Các thông số Arduino: Ở đây đề cập đến thông số của Arduino Uno R3 vì dòng sản phẩm này được sử dụng nhiều nhất. Đến thời điểm hiên tại thì nó đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3). Chúng ta sẽ cùng tham khảo một vài thông số cơ bản của dòng Arduino Uno R3 này Vi điều khiển Atmega 328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Đồ án môn học 2 13 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Bảng 3.1. Thông số cơ bản của Arduino Uno R3 (Theo: 3.2. Tìm hiểu về biến trở: Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn. Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện. Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,... Cấu tạo của biến trở gồm 2 thành phần chính là con chạy và cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn. - Biến trở là một điện trở mà trị số Ohm của nó có thể thay đổi được. - Chiết áp là một vành điện trở than trên đó có một điểm chạy. Dùng chiết áp để cho lấy ra một phần điện áp từ mức áp đưa vào ở hai đầu của chiết áp. - Chiết áp tinh chỉnh cũng hoạt động như chiết áp nhưng nó có độ chỉnh “nhuyễn hơn”, ứng với một vòng quay số Ohm thay đổi tương ứng rất nhỏ. Đồ án môn học 2 14 Hình 3.2. Một số hình ảnh về biến trở (Nguồn: 3.3. Tìm hiểu về transistor công suất: Thông số kỹ thuật: + Điện áp cực đại: UCEO = 120V + UCBO = 120V + UEBO = 5V + Dòng cực đại: IC = 8A + Hệ số khuếch đại: 55 ~ 160 + Nhiệt độ làm việc: -65oC ~ 150oC Transistor công suất 2SD718 là transistor phân cực ngược NPN, được thiết kế để có thể sử dụng trong các mạch khuếch đại và dùng như các khóa chuyển mạch. Transistor công suất 2SD718 được đóng gói theo chuẩn TO-247(3P), thứ tự chân từ trái qua phải là B C E. Transistor công suất 2SD718 là transistor công suất có hệ số khuếch đại trong khoảng từ 55 đến 160, công suất lên đến 80W. Transistor công suất 2SD718 được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tổng quát, mạch khuếch đại âm thanh, mạch khuếch đại công suất tuyến tính. Đồ án môn học 2 15 Hình 3.3. Hình dạng transistor D718 (Nguồn: 3.4. Tìm hiểu về xung PWM: 3.4.1. Khái niệm về xung: Xung là các trạng thái cao / thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặp lại. Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) bao gồm tần số (frequency) và chu kỳ xung (duty cycle). Tần số là gì? Tần số là số lần lặp lại trong 1 đơn vị thời gian. Đơn vị tần số là Hz, tức là số lần lặp lại dao động trong 1 giây. VD: 1Hz = 1 dao động trong 1 giây. 2Hz = 2 dao động trong 1 giây. 16MHz = 16 triệu dao động trong 1 giây. Như vậy theo quy tắc tam suất: 16 triệu dao động - 1 giây --> 1 dao động tốn 1/16.000.000 (giây) = 0,0625 (micro giây) Cách xác định 1 dao động như thế nào? Đa phần thường mắc sai lầm ở việc xác định 1 dao động. Dao động được xác định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trạng thái bắt đầu được lặp lại. Đồ án môn học 2 16 Cách xác định 1 dao động Như vậy thông thường, 1 dao động sẽ bao gồm 2 trạng thái điện: mức cao (x giây) và mức thấp (y giây). Tỉ lệ phần trăm thời gian giữa 2 trạng thái điện này chính là chu kì xung. Với x/y = 0% ta có xung chứa toàn bộ điện áp thấp (khái niệm xung nên hiểu mở rộng) Với x/y = 50% thì 50% thời gian đầu, xung có điện áp cao, 50% sau xung có điện áp thấp. Với x/y=100% ta có xung chứa toàn bộ điện áp cao. Tóm lại, với 1 xung ta có: 1. Tần số: để tính toán ra được thời gian của 1 xung 2. Chu kì xung: bao nhiêu thời gian xung có mức áp cao, bao nhiêu thời gian xung có mức áp thấp. 3.4.2. Xung PWM: Đồ án môn học 2 17 Hình 3.4. Hình ảnh xung khi sử dụng với hàm analogWrite trong Arduino (Nguồn: Giữa 2 vạch màu xanh lá cây là 1 xung. analogWrite Tỉ lệ Chu kì xung analogWrite(0) 0/255 0% analogWrite(64) 64/255 25% analogWrite(127) 127/255 50% analogWrite(191) 191/255 75% analogWrite(255) 255/255 100% Bảng 3.2. Chu kì xung tương ứng khi sử dụng hàm analogWrite (Theo: Hàm analogWrite ( ) trong Arduino giúp việc tạo 1 xung dễ dàng hơn. Hàm này truyền vào tham số cho phép thay đổi chu kì xung, chúng ta có thể tính toán ra được chu kì xung như ở bảng trên. Tần số xung được Arduino thiết lập mặc định. Đối với board Arduino Uno, xung trên các chân 3,9,10,11 có tần số là 490Hz, xung trên chân 5,6 có tần số 980Hz. Để tạo ra các xung có tần số nhanh chúng ta có thể tham khảo thêm các thư viện riêng hỗ trợ việc này. Trong mã nguồn Arduino gốc không hỗ trợ phần này. Đồ án môn học 2 18 Lưu ý: xung điều khiển servo có tên gọi PPM (Pulse Position Modulation) khác với xung PWM. 3.5. Relay (Rơ-le): Relay là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực tế. Khi bạn gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao, ngoài ra có thể dễ dàng thay thế và lắp đặt khi bị hỏng. Rơ-le là một công tắc (khóa K). Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng làm công tắc điện tử. Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở. Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le: module rơ-le đóng ở mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng), module rơ-le đóng ở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng). Nếu sơ sánh giữa 2 module rơ- le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi kinh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ cái transistor của mỗi module. Chính vì cái transistor này nên mới sinh ra 2 loại module rơ-le này đấy (có 2 loại transistor là NPN - kích ở mức cao, và PNP - kích ở mức thấp). Làm sao để nhận biết được module rơ-le nào thuộc loại nào? Thực sự thì mình nghĩ có 3 cách thôi, nếu có những cách khác hay hơn thì bạn hãy chia sẻ cho mọi người ở phần bình luận nhé: - Hỏi người bán và sau khi mua về chúng ta đặt ngăn nắp, loại nào ra loại đấy. - Kiểm tra module rơle bằng cách thử cấp nguồn vào các chân điều khiển. - Tìm trên google thử tên của loại transistor mà module rơ-le đó dùng, nếu là loại NPN là module rơ-le kích ở mức cao, và nếu là PNP thì module rơ-le ấy là loại kích ở mức thấp. Đồ án môn học 2 19 Hình 3.5. Hình dáng của rơ-le (Nguồn:https://store.nerokas.co.ke/index.php?route=product/product&product) Điều quan trọng khi lựa chọn rơ-le phải phù hợp với mục đích sử dụng, chính vì thế cần phải hiểu rõ những kí hiệu trên thân rơ-le. Sau đây là một ví dụ: Hình 3.6. Thông số của rơ-le (Nguồn: ung-dung-hay-cua-no) 1. 10A - 250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 250V (AC) là 10A. 2. 10A - 30VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 30V (DC) là 10A. Đồ án môn học 2 20 3. 10A - 125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 125V (AC) là 10A. 4. 10A - 28VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 28V (DC) là 10A. 5. SRD-05VDC-SL-C: Hiện điện thế