NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ NẠP ẮC QUY TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT)
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ NẠP ẮC QUY TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT)
LỜI NÓI ĐẦU.. 4
TÓM TẮT. 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI7
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI7
1.2. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI7
1.3. PHÂN BỔ BỨC XẠ MẶT TRỜI, NHIỆT ĐỘ Ở THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.. 7
1.4. ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI8
1.5. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN. 10
1.5.1.Khái niệm.. 10
1.5.2. Phân loại10
- 6. PIN MẶT TRỜI, CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN. 11
1.7. CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỐT QUANG P-N. 11
1.8. MODUN QUANG ĐIỆN. 12
1.9. MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN. 14
1.10. ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA PIN MẶT TRỜI16
1.11. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI19
1.11.1. Ưu điểm.. 19
1.11.2. Nhược điểm.. 19
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ VÀ LINH KIỆN.. 20
2.1.TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO.. 20
2.1.1. Aruino là gì?. 20
2.1.2. Ngôn ngữ lập trình cho arduino. 20
2.1.3 Vi điều khiển ARDUINO NANO ATMEGA328. 20
2.2. ẮC QUY. 22
2.2.1. Khái niệm và phân loại22
2.2.2. Cấu tạo. 22
2.2.3. Nguyên lí làm việc của ắc quy. 22
2.2.4. Phương pháp nạp điện cho ắc quy. 24
2.2.5. Các thông số cơ bản của ắc quy. 25
2.3. MOSFER IRFP250. 25
2.3.1. Giới thiệu. 25
2.3.2. Thông số kỹ thuật26
2.4. IR2104. 26
2.5. CẢM BIẾN DÒNG ACS712. 27
2.5.1. Giới thiệu. 27
2.5.2. Thông số kỹ thuật28
2.5.3. Code đọc giá trị ACS712. 28
2.5.4. Cách sử dụng cảm biến dòng ACS712. 28
2.6. DIODE MBR30100. 29
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT TỐI ƯU.. 30
3.1. TỔNG QUAN VỀ MPPT. 30
3.2. GIỚI THIỆU CHUNG.. 31
3.3. THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT TỐI ƯU MPPT. 32
3.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP CỦA THUẬT TOÁN MPPT. 33
3.4.1. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O.. 34
3.4.2. Phương pháp điện dẫn gia tăng INC. 36
3.4.3 Phương pháp điện áp hằng số. 37
CHƯƠNG 4: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC BUCK CONVERTER.. 39
4.1. TỔNG QUAN. 39
4.1.1. Phương pháp điều khiển. 39
4.1.2. Bộ biến đổi Buck. 39
4.2. MÔ HÌNH HÓA. 42
4.3. TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC. 44
4.3.1. Van đóng mở (Mosfet)45
4.3.2. Diode. 46
4.3.3. Cuộn cảm.. 46
4.3.4 Tụ điện. 50
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM... 51
5.1. MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM.. 51
5.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.. 56
5.3. KẾT LUẬN. 57
5.4. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN. 58
PHỤ LỤC.. 59
LỜI NÓI ĐẦU
Nhân loại đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triển vượt bậc về khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới. Đồng hành cùng sự phát triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lượng không tái tạo là dầu mỏ, than đá, điện năng...
Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt với nhiều nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường, thiên tai, địch hoạ...Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trong vòng một trăm năm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ mà thế giới có được và dự báo trong vòng 30 năm tiếp theo thì nhu cầu này sẽ tăng lên gấp ba (số liệu tính đến tháng 5 năm 2008), tuy nhiên đối với mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ thì nhu cầu về năng lượng là không thể không có và nó là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của bản thân quốc gia đó, đặc biệt là đối với các quốc gia đang phát triển. Vì thế, ý thức về việc sử dụng năng lượng hợp lý, tiết kiệm đã dần trở thành nhu cầu ở mỗi quốc gia và đòi hỏi các quốc gia phải có những biện pháp tích cực để sử dụng năng lượng được hợp lý nhất?
Để có thể làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và quản lý nhu cầu năng lượng hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời...là vô cùng bức thiết bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường của các nguồn năng lượng này.
Đối với năng lượng Mặt Trời nói riêng thì nhân loại đã nghiên cứu và ứng dụng nó từ những năm 40 của thế kỷ trước để chế tạo các Pin Mặt Trời cung cấp năng lượng cho các vệ tinh nhân tạo. Tuy nhiên phải đến những năm 70, sau cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên trên thế giới thì việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Pin năng lượng Mặt Trời mới được quan tâm thực sự và đã phát triển mạnh mẽ từ đó đến nay. Ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản...thì việc sử dụng năng lượng Mặt Trời thay cho các nguồn năng lượng khác đã trở nên phổ biến và nhận được nhiều sự ủng hộ. Còn với các nước nghèo hoặc đang phát triển thì việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng này mới chỉ đạt được các kết quả ban đầu, bởi chi phí ban đầu của một “HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI” là khá lớn và để có thể thay đổi được thói quen sinh hoạt của người dân thì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố...
Riêng ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng và sử dụng các nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo nói chung cũng như năng lượng Mặt Trời nói riêng trong những năm gần đây được triển khai khá mạnh mẽ. Tuy nhiên chưa được sâu rộng và mới chỉ dừng ở quy mô các dự án giành cho người nghèo được chính phủ và các tổ chức nước ngoài tài trợ, còn đối với đại đa số người dân thì vẫn không muốn sử dụng nguồn năng lượng này do chưa nhận thức được ích lợi của nó cũng như giá thành chi phí ban đầu là quá cao trong khi thu nhập bình quân của người dân lại ở mức thấp.
Đồ án hoàn thành nhằm thoả mãn mục đích chính:
- Áp dụng phương pháp do tìm điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời.
- Làm mô hình mạch thực để khỏa sát phương pháp MPPT qua đó tính toán ứng dụng trong thực tế.Trong quá trình thực hiện không thể tránh những sai sót do trình độ và quá trình nghiện cứu chưa sâu, kính mong các thầy, cô góp ý, chỉ bảo để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức và ứng dụng thực tiễn.
Cuối cùng em xin chân thành cám ơn thầy giáo Bùi Tấn Lợi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế đồ án này. Cảm ơn các thầy, cô giáo khoa điện của trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã truyền đạt rất nhiều kiến thức bổ ích cho em trong suốt quá trình học tập.
TÓM TẮT
Đồ án này trình bày phương pháp tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của pin mặt trời (MPPT) bằng giải thuật P&O. Sử dụng Matlab/Simulink để xây dựng mô hình pin mặt trời mô phỏng giải thuật và sử dụng thực nghiệm để kiểm tra giải thuật.
Kết quả mô phỏng và thựu nghiệm cho thấy sự cần thiết phải sử dụng MPPT trong hệ thống pin mặt trời và bằng việc sử dụng giải thuật P&O. Hệ thống đã nhanh chóng đưa pin mặt trời vào làm việc tại điểm công suất tối ưu.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Thế kỷ thứ 7 trước công nguyên, thời Ai Cập cổ đại , các ngôi nhà được xây dựng để các bức xạ mặt trời có thể được thu thập vào ban ngày và được sử dụng vào ban đêm.
Thế kỷ thứ 5 trước công nguyên người Hy Lạp định hướng nhà của họ để có thể nhận được năng lượng mặt trời vào mùa đông để sưởi ấm.
Thế kỷ thứ 3 trước công nguyên: Archimedes đã sử dụng những tấm gương để hội tụ và phản chiếu ánh sáng mặt trời đốt cháy các chiến thuyền của người La Mã.
Năm 1767 ở Nga: M.V.Lomonossov đề nghị sử dụng các thấu kính để tập trung bức xạ mặt trời. Cùng năm đó ở Thụy Sĩ, Horace de Sausure khám phá ra sự khuếch đại và tăng hiệu suất nhiệt trong các hộp kính 5 nếp gấp loại Matjoshka.
Năm 1883 một pin năng lượng đầu tiên được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Đến năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887.
Ngày 17 tháng 3 năm 1958: Mỹ phóng thành công vệ tinh Vanguard I sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới.
Năm 1995 dự án thí điểm “1000 mái nhà” lắp pin mặt trời của Đức, là động lực cho việc phát triển chính sách về điện mặt trời ở Đức và ở Nhật.
Năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế gới đạt 1GW. [ 1 ]
1.2. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời hay bức xạ mặt trời là năng lượng phát ra bởi ánh nắng mặt trời, đặc biệt là năng lượng điện từ có bước sóng từ 0,28 đến 3,0 µm. Khoảng một nửa của bức xạ là ở phần sóng ngắn (0,38…0,78 µm) nhìn thấy được trong dải quang phổ điện từ, nửa còn lại chủ yếu là ở phần gần hồng ngoại (0,78…3,0 µm), với một số ở phần cực tím (0,28…0,38 µm) của quang phổ.
Quang phổ của ánh sáng Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất là quang phổ vạch hấp thụ.
1.3. PHÂN BỔ BỨC XẠ MẶT TRỜI, NHIỆT ĐỘ Ở THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
Năng lượng mặt trời thay đổi bởi vì sự chuyển động tương đối của mặt trời. Sự thay đổi này còn phụ thuộc vào giờ trong ngày và các mùa trong năm. Nhìn chung bức xạ mặt trời có nhiều vào buổi trưa hơn là lúc sáng sớm và chiều tối. Vào giữa trưa, mặt trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời và đường đi của tia nắng mặt trời xuyên qua bầu khí quyển của trái đất được rút ngắn. Do đó bức xạ mặt trời ít bị tán xạ hay hấp thụ và bức xạ đến bề mặt trái đất sẽ càng nhiều.
Lượng năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất thay đổi theo năm, từ mức trung bình dưới 0,8 kWh/m2 mỗi ngày trong suốt mùa đông ở miền Bắc của Châu Âu đến hơn 4 kWh/m2 mỗi ngày trong suốt mùa hè ở khu vực này. Sự khác biệt này giảm dần về gần xích đạo. Lượng bức xạ toàn cầu trung bình hàng năm tác động đến bề mặt trái đất lên đến xấp xỉ 1.000 kWh/m2 ở Trung Âu, Trung Á và Canada 1.700 kWh/m2 ở Địa Trung Hải và xấp xỉ 2.200 kWh /m2 ở hầu hết các khu vực xích đạo châu Phi, các nước Á Đông, các sa mạc ở Úc. Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm.
Hình 1.1:Biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời
Bảng 1.1 Giá trị trung bình cường độ bức xạ MT ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam:
1.4. ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất đạt được nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây. Năng lượng mặt trời rất dồi dàonó có trữ lượng lớn nhất so với các nguồn năng lượng khác. Lượng năng lượng cung cấp cho trái đất trong một ngày của mặt trời đủ để cung cấp nhu cầu năng lượng của trái đất trong một năm. Năng lượng mặt trời sạch và không có khí thải, vì sản xuất nó không gây ô nhiễm hoặc có các sản phẩm có hại cho thiên nhiên. Việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện có trongnhiều lĩnh vực ứng dụng.Năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng điện có thể được thực hiện theo hai cách: Quang điện năng lượng mặt trời và nhiệt năng năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời nhiệt tương tự như thế hệ điện AC thông thường bằng chạy tuabin hơi nước thay vì nhiên liệu hóa thạch nhiệt chiết xuất từ tia mặt trời tập trung được sử dụng để sản xuất hơi nước và ngoài ra được lưu trữ trong các thùng cách nhiệt cho việc sử dụng trong quá trình gián đoạn của ánh nắng mặt trời hay ban đêm các tế bào sử dụng điện mặt trời làm bằng silicon hoặc một số loại vật liệu bán dẫn mà chuyển đổi năng lượng ánh sáng được hấp thụ từ ánh nắng mặt trời sự vào động cơ điện. Để bù đắp cho quá trình gián đoạn trong thời gian đêm nên việc tạo ra pin lưu trữ điện là cần thiết.
Gần đây nghiên cứu và phát triển của tấm màn hình phẳng năng lượng mặt trời chi phí thấp, thiết bị màng mỏng, hệ thống tập trung, và nhiều khái niệm sáng tạo đã tăng lên. Trong tương lai gần, các chi phí của các đơn vị mô-đun năng lượng mặt trời công suất nhỏ và các nhà máy năng lượng mặt trời sẽ có tính khả thi về mặt kinh tế cho sản xuất và sử dụng năng lượng mặt trời quy mô lớn.
Trong đồ án này chúng ta sẽ trình bày các hoạt động quang điện năng lượng mặt trời. Cách quan trọng nhất để tăng hiệu suất của một bảng điều khiển năng lượng mặt trời là sử dụng phương pháp dò tìm đỉnh công suất tối ưu của một thiết bị điện tử công suất làm tăng đáng kể hiệu quả của hệ thống. Bằng cách sử dụng hệ thống hoạt động điều chỉnh đỉnh công suất và sản xuất sản lượng điện năng tối ưu của nó. Như vậyphương pháp dò tìm đỉnh công suất đã tối ưu hóa hiệu quả sắp xếp, do đó làm giảm chi phí hệ thống tổng thể.
Ngoài ra chúng ta cố gắng để thiết kế các bộ dò tìm công suất đỉnh tối ưu bằng cách sử dụng các thuật toán của phương pháp dò tìm công suấtđỉnh tối ưu là "nhiễu loạn và Quan sát" và thực hiện nó bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi DC-DC. Chúng ta đã tìm thấy nhiều loại bộ chuyển đổi DC-DC. Trong số đó, chúng ta đã lựa chọn chuyển đổi phù hợp nhất đó là chuyển đổi "Buck" cho thiết kế.Thế hệ hệ thống phát điện PV thường sử dụng một vi điều khiển dựa trên điều khiển sạc kết nối với pin và tải. Một bộ điều khiển sạc được sử dụng để duy trì điện áp sạc thích hợp trên pin. Khi điện áp đầu vào từ các mảng năng lượng mặt trời, bộ điều khiển phụ trách quy định sạc cho pin ngăn ngừa bất kỳ quá mức. Vì những tính năng tốt, vững chắc và đáng tin cậy điều khiển sạc PV là một thành phần quan trọng của bất kỳ hệ thống sạc pin PV để đạt được tối ưu hiệu quả hệ thống. Trong khi thiết kế vi điều khiển dựa trên có thể cung cấp điều khiển thông minh hơn và do đó làm tăng hiệu quả của hệ thống.
1.5. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN
1.5.1.Khái niệm
Là sự tương tác giữa ánh sáng và điện tử phân bố ở bề mặt của kim loại. Khi chiếu một chùm sáng có một bước sóng đủ ngắn vào bề mặt của một số kim loại, ánh sáng sẽ kích thích dao động của các điện tử phân bố ở bề mặt của kim loại đó làm điện tử bật ra khỏi bề mặt kim loại. Kim loại được đặt trong một trường điện thế thì những điện tử đó sẽ chuyển động ngược chiều với chiều trường điện thế và tạo ra dòng điện.
1.5.2. Phân loại
Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát).
Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn).
Hình 1.2: Hiệu ứng quang điện
Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời...
Hình 1.3: Mô hình pin thực tế
1.6. PIN MẶT TRỜI, CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN
Pinmặt 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 điốt quang p-n.
Pin Mặt Trời ngày nay được sản xuất chủ yếu từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4. Để có vật liệu tinh thể bán dẫn tinh khiết loại n thì người ta pha vào tinh thể Si tạp chất là Photpho hóa trị 5 gọi là Donor, còn để tạo ra bán dẫn loại P thì người ta pha vào Si là Bo hóa trị 3 gọi là Acceptor. Đối với pin Mặt Trời làm từ vật liệu tinh thể Si, khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai bản cực khoảng 0,55V dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 khoảng 30mA/cm2.
Ngoài pin làm từ vật liệu tinh thể Si, người ta còn nghiên cứu chế tạo thử nghiệm từ các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất nhóm 3-5, như hợp chất đồng-cadimi sunfit (CuCdS), Galium-Arsent(GaAs),..
1.7. CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỐT QUANG P-N
Khi đã có được hai chất bán dẫn là p và n, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp p- n ta được một điốt, tiếp giáp p-n có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn n khuyếch tán sang vùng bán dẫn p để lấp vào các lỗ trống từ đó tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện, lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.
Hình 1.4: Tiếp xúc p-n, cấu tạo điốt
Khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống 1 điốt quang thì 1 trong 2 điều sau sẽ xảy ra:
1. Photon truyền trực tiếp xuyên qua chất bán dẫn. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các điện tử lên mức năng lượng cao hơn.
2. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi chất bán dẫn. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa các điện tử lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến lớp màng Ion trung hòa làm bật điện tích ra khỏi lỗ trống đi tới lớp p, khi đó 1 lỗ trống sẽ dư ra và lỗ trống này tạo điều kiện cho các điện tích lân cận nó di chuyển đến điền vào lỗ trống cứ tiếp tục như vậy ta được dòng điện 1 chiều trong điốt bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích điện tích lớp ngoài 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.
1.8. MODUN QUANG ĐIỆN
Ngày nay, quang điện vẫn là nguồn năng lượng tương đối đắt tiền. Vì vậy, điều quang trọng là phải sử đụng pin mặt trời đúng cách để đạt được công suất tối ưu. Để đạt được điều này, các tấm pin phải được bố trí ở 1 vị trí cố định nghiêng về phía nam để tối ưu hóa việc sản xuất năng lượng hàng ngày à buổi trưa. Sự định hướng tấm pin cố định cần được chọn cẩn thận để nhận được năng lượng cực đại theo mùa trong năm. Khi cần có thể điều chỉnh hướng đặt pin theo định kỳ. Cơ bản, các tấm pin có 1 điểm hoạt động tối ưu gọi là điểm công suất cực đại (MPP). Đó là điểm mà các tấm pin có thể phát công suất tối ưu từ ánh sáng mặt trời.
Mạch điện gồm dòng quang điện, IPH ,điốt, điện trở dòng dò RSH và điện trở nối tiếp Rs, đặc tính I-V của pin mô tả bằng biểu thức 1.1
I=IPH - IS[ exp( (V+IR) -1) - ] (1.1)
Mạch điện tương đương cho pin mặt trời.
Hình 1.5: Mạch điện tương đương của pin mặt trời
Trong đó:
IPH = dòng quang điện (A)
Is = dòng bão hòa (A)
q = điện tích của electron, q=1,6x10-19 C
k = nhiệt độ vận hành của pin (K)
A = hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono A=1,2, Si-Poly A=1,3….
Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin
IPH = [ Isc + Ki (Tc - Tref)] λ (1.2)
Trong đó:
Isc = dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
Ki = hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc = Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (0K)
Tref = Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (0K)
λ = Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng theo dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ:
Is = IRS (3 exp[λ (1.3)
Trong đó:
IRS = Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt dộ tiêu chuẩn (A)
EG = Năng lượng lỗ trốn của chất bán dẫn
Đối với pin mặt trời lý tường, điện trở dòng rò RSH = ∞, Rs = 0. Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 1.5
Hình 1.6: Mô phỏng pin mặt trời lý tưởng
Khi đó biểu thức (1.1) có thể được mô tả như biểu thức 1.4:
I = IPH - IS[ exp( – 1)] (1.4)
Và dòng ngược bão hòa tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như biểu thức 2.5
IRS = (1.5)
Thông thường công suất của pin mặt trời khoảng 2W và điện áp khoảng 0,5V. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp – song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớp. Mạch điên tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 2.6
Hình 1.7: Mô đun pin mặt trời
1.9. MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN
Mạch điện hình 1.6 được miêu tả như biểu thức:
I = NpIPH - NsIs[ exp( – 1) ] (1.6)
Pin mặt trời chuyển 1 phần năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT). NOCT được định nghĩa là nhiệt độ của pin dưới điều kiện môi trường 200C, bức xạ mặt trời 0,8 kW/m2, tốc độ gió < 1m/s.
Công thức sau được sử dụng để tính toán sự khác nhiệt độ môi trường (TAmb) và nhiệt độ vận hành pin mặt trời (Tc):
Tc = TAmb + ( (1.7)
Đặc tính I-V tương ứng với bức xạ được mô tả như hình 1.8 và hình 1.9
Hình 1.8: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau
Hình 1.9: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau
1.10. ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA PIN MẶT TRỜI
Hình 1.10: Đặc tuyến I –V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại
Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời tồn tại một điểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng.
Tuy nhiên, điểm cực đại này không cố định, chúng luôn thay đổi theo điều kiện môi trường ( Hình 1.9). Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặc dòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thay đổi sử dụng bộ tìm kiếm công suất cực đại.
Hình 1.11: Các điểm MPP dưới các điều kiện thay đổi
Hình 1.10 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu. Hầu hết các bộ MPPT hiện nay gồm có ba phần cơ bản: Bộ chuyển đổi DC/DC, bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển.
Khi pin mặt trời được nối tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trời được điều khiển bởi tải. Tổng trở của tải được miêu tả như sau:
RLOAD = (1.10)
Trong đó, Vo, Io là điện áp và dòng điện phát của pin mặt trời.
Tổng trở tối ưu của tải cho pin mặt trời được miêu tả như sau:
ROPT = (1.11)
Trong đó, VMPP, IMPP, là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời tại thời điểm tối ưu.
Khi giá trị RLOAD bằng với ROPT, công suất cực đại sẽ được truyền từ pin mặt trời đến tải. Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không bằng nhau. Mục đích của bộ MPPT là điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn bằng với tổng trở tối ưu của pin mặt trời.
Thông thường bộ biến đổi DC/DC được phục vụ cho việc truyền công suất từ pin mặt trời tới tải. Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa tả với pin mặt trời. Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ nguồn sẽ được thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất cực đại cung cấp cho tải.
Hình 1.12: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển MPPT tiêu biểu
Giả sử, đối với mạch giảm áp DC/DC, ta có
Vout = D.Vin (1.12)
Trong đó, Vout là điện áp đầu ra, Vin điện áp đầu vào, khi đó:
Rout = D2 . Rin (1.13)
Rout là tổng trở đầu ra, Rin tổng trở đầu vào nhánh từ phía nguồn
Rin = Rout / D2 (1.14)
Vì vậy, tổng trở Rout được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung, khi đó Rin nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi.
Hay đổi với mạch tăng áp, mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra được miêu tả như sau:
Vin = (1 – D) Vout (1.15)
Giả sử không có công suất tổn ha, ta có:
(1.16)
Hình 1.13: Bộ DC/DC giúp kéo công suất cực đại từ pin mặt trời
Tổng trở đầu vào của bộ DC/DC là:
Rin = ( 1 – D )2 Rout (1.17)
Vì vậy, tổng trở Rout được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung, khi đó Rin nhìn từ phía nguồn sẽ thay đổi.
1.11. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.11.1. Ưu điểm
- Không sử dụng bất cứ nguồn nhiên liệu hóa thạch nào. Mặt trời có thể xem là nguồn nhiên liệu miễn phí nên không chịu ảnh hưởng của giá cả như xăng dầu, than đá,...
- Năng lượng mặt trời là năng lượng sạch và tái tạo. Không giống như than đá, xăng dầu,.. nó không gây ôi nhiễm môi trường xung quanh.
- Năng lượng mặt trời có thể xem là vô tận, cung cấp năng lượng bù đắp lượng năng lượng tiêu thụ thiết hụt.
- Hệ thống năng lượng mặt trời có tuổi thọ khá cao, công việc bảo trì- bão dưỡng đơn giản với chi phí thấp.
1.11.2. Nhược điểm
- Chi phí đầu tư xây dựng và lắp đặt ban đầu khá lớn đây là bất lợi chính cho việc phổ biến các hệ thống năng lượng mặt trời trời trong mọi lĩnh vực của đời sống.
- Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng của mặt trời.Để đạt hiệu suất cao nhất, tấm pin mặt trời cần một vùng rộng lớn, độ chiếu rọi lớn, không bị che khuất hoặc ít bị che khuất.
- Các tấm pin dễ bị ảnh hưởng bởi các đám mây gây ra hiện tượng che khuất.
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ VÀ LINH KIỆN
2.1.TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO
2.1.1. Aruino là gì?
Arduino là Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.
Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code.
2.1.2. Ngôn ngữ lập trình cho arduino
Ngôn ngữ lập trình của Arduino chính là C/C++, nhưng so với lập trình lập trình trực tiếp với vi điều khiển, lập trình với Arduino đơn giản hơn nhiều vì bạn chỉ phải giao tiếp với phần cứng thông qua các thư viện, có thể xem như các lớp C++ wrapper lên các giao tiếp với phần cứng.
2.1.3 Vi điều khiển ARDUINO NANO ATMEGA328
2.1.3.1 Sơ đồ chân Atmega328
Hình 2.1:Vi điều khiển arduino nano ATMega328 và các dạng sơ đồ chân
2.1.3.2 Một vài thông số về arduino Atmega328
|
Vi điều khiển |
ATmega328 |
|
Điện áp hoạt động |
5V DC |
|
Tần số hoạt động |
16 MHz |
|
Dòng tiêu thụ |
30 mA |
|
Điện áp khuyên dùng |
7 - 12 VDC |
|
Điện áp giới hạn |
6 - 20 VDC |
|
Số chân Digital I/O |
14 (6 chân PWM) |
|
Số chân Analog |
8 (Độ phân giải 10 bit) |
|
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O |
40 mA |
|
Dòng ra tối đa 5V |
500 mA |
|
Dòng ra tối đa 3.3V |
50 mA |
|
Bộ nhớ Flash |
32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi bootloader |
|
SRAM |
2 KB (ATmega328) |
|
EEPROM |
1 KB (ATmega328) |
|
Kích thước |
1.85cm x 4.3cm |
2.2. ẮC QUY
2.2.1. Khái niệm và phân loại
Ắc quy là một nguồn điện hóa học được trữ năng lượng điện dưới dạng hóa năng. Là nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện một chiều trong công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày như: Động cơ điện một chiều, bóng đèn điện một chiều, là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử…Nó cũng là một nguồn sơ cấp để cung cấp cho các thiệt bị điện xoay chiều khi sử dụng kết hợp với bộ nghịch lưu DC-AC.
Cho đến nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuấttuỳ thuộc vào những điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc. Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của ắc quy có thể liệt kê một số loại sau:
- Ắc quy chì (ắc quy axit)
- Ắc quy kiềm
- Ắc quy không lamen và ắc quy kiềm
- Ắc quy kẽm-bạc
Trong hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập thì ắc quy chì axit vẫn được sử dụng phổ biến nhất do nó có giá thành rẻ và có dung lượng lớn, dễ sử dụng.
2.2.2. Cấu tạo
Ắc quy được xem giống như một tụ điện với 2 bản cực, một bản cực được làm từ các lưới chì nguyên chất (Pb) và một cực làm từ đioxit chì (PbO2). Hai bản cực này được nhúng trong dung dịch axit H2SO4 (khoảng 33.5%).
Hình 2.2: Cấu tạo của ắc quy axit chì
2.2.3. Nguyên lí làm việc của ắc quy
Ắc quy có 2 quá trình làm việc là: nạp điện và phóng điện:
- Quá trình nạp điện:
Khi ắc quy đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4). Vì chì tác dụng với axit theo phản ứng:
PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ắc quy thì dòng điện một chiều được khép kín qua mạch ắc quy và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn một chiều → Dung dịch điện phân → Đầu cực 2 của ắc quy → Cực âm của nguồn một chiều.
Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly:
H2SO4 → 2H+ + SO2-4
Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành phản ứng tại đó:
2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb
Các anion SO2-4 chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và cũng tạo thành phản ứng tại đó:
PbSO4 + H2O + SO2-4 → PbO2 + 2H2SO4
Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuric bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong quá trình nạp điện dòng điện còn phân tích ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxy (O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước và bay đi, do đó nồng độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên.
Ắc quy được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi đó là hiện tượng sôi). Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như quá trình nạp điện cho ắc quy đã hoàn thành.
- Quá trình phóng điện của ắc quy:
Nối hai bản cực của ắc quy đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bóng đèn thì năng lượng tích trữ trong ắc quy sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng. Dòng điện của ắc quy sẽ đi theo chiều: Cực dương của ắc quy (đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm của ắc quy → Dung dịch điện phân → Cực dương của ắc quy.
Quá trình phóng điện của ắc quy, phản ứng hoá học xảy ra trong ắc quy như sau:
+ Tại cực dương:
PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O
+ Tại cực âm:
Pb + SO2-4 → PbSO4 + 2e
Như vậy khi ắc quy phóng điện, chì sunfat lại được hình thành ở hai bản cực, làm cho các bản cực dần trở lại giống nhau, còn dung dịch axit bị phân thành cation 2H+ và anion SO2-4, đồng thời quá trình cũng tạo ra nước trong dung dịch, do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ắcquy cũng giảm dần.
Nhưng thông dụng nhất từ trước đến nay vẫn là ắc quy axit. Vì so với ắc quy kiềm nó có một vài tính năng tốt hơn như: sức điện động của mỗi bản “cặp bản” cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ vì vậy trong đồ án này ta chọn loại ắc quy axit để nghiên cứu và thiết kế.
2.2.4. Phương pháp nạp điện cho ắc quy
Có 3 phương pháp nạp acquy thông thường như sau:
- Nạp với dòng không đổi:
Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp thích hợp với mỗi loại ắc quy, đảm bảo cho ắc quy được nạp no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho các ắc quy mới hoặc nạp sửa chữa cho các ắc quy bị sunfat hoá.
Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc quy đưa vào nạp có cùng cỡ dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiêù nấc. Trong trường hợp nạp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3 - 0,5) C20 và kết thúc nạp ở nấc một khi ắc quy bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai bằng 0,05C20.
- Nạp với điện áp không đổi:
Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3÷2,5) V cho một ngăn ắc quy đơn. Đây là phương pháp nạp điện cho ắc quy lắp trên ôtô.
Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc quy không được nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc quy trong quá trình sử dụng.
Để đánh giá khả năng cung cấp điện của ắc quy người ta dùng vôn kế phụ tải hoặc đánh giá gián tiếp thông qua nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy.
- Phương pháp nạp dòng áp:
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên.Nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp.
+ Đối với ắc quy axit:Để đảm bảo cho thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn =8 giờ tương ứng với 75- 80% dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1 C10.Vì theo đặc tính nạp của ắc quy trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp,sức điện động tải ít thay đổi,do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp.Sau thời gian 8 giờ ắc quy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10 giờ thì ắc quy bắt đầu no,ta nạp bổ xung thêm 2-3 giờ.
+ Đối với ắc quy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như ắc quy axit nhưng do khả năng quá tải của ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In =0,2 C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5 C10
.Các quá trình nạp ắc quy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc quy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không.
- Kết luận:
Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc quy sẽ tự động dâng lên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc quy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng.Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp trong ắc quy.
Khi dung lượng của ắc quy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc quy sẽ sôi và làm cạn nước.Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp cho ắc quy sang chế độ ổn áp.Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc quy đã thực sự no.Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không,kết thúc quá trình nạp.
2.2.5. Các thông số cơ bản của ắc quy
- Dung lượng:
Là điện lượng của ắc quy đã được nạp đầy, rồi đem cho phóng điện liên tục với dòng điện phóng 1A tới khi điện áp của ắc quy giảm xuống đến trị số giới hạn quy định ở nhiệt độ quy định.Dung lượng của ắc quy được tính bằng ampe-giờ (Ah).
- Điện áp:
Tuỳ thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho ắc quy mà điện áp ở mỗi ngăn của ắc quy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V (để hở mạch), và khi ắc quy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V.
- Điện trở trong:
Là trị số điện trở bên trong của ắc quy, bao gồm điện trở các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. Thường thì trị số điện trở trong của ắcquy khi đã nạp đầy điện là (0,001-0,0015)Ω và khi ắc quy đã phóng điện hoàn toàn là (0,020-025)Ω.
2.3. MOSFER IRFP250
2.3.1. Giới thiệu
Mosfet IRFP250 là một transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với transistor thông thường. Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu một chiều thì nó coi như là một khóa đóng mở.
Mosfet IRFP250 có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu. Mosfet IRFP250 thích hợp cho việc chuyển đổi DC sang DC.
Hình 2.3 : MOSFET IRF250
2.3.2. Thông số kỹ thuật
Các thông số kỹ thuật cơ bản của mosfet IRF250:
- Chân: D ( Drain ), S ( Source ), G ( Gate)
- Điện áp đánh thủng: 200V
- Dòng điện chịu đựng trung bình: 30A
- Nhiệt độ hoạt động: 55oC ~ 175 oC
- Công suất: 214W
- RDS (khi mở ) = 75 mΩ
2.4. IR2104
IR2104 là trình điều khiển MOSFET điện cao thế, tốc độ cao với các kênh đầu ra tham chiếu phía cao và thấp độc lập. Công nghệ HVIC và chốt miễn dịch chốt cho phép xây dựng nguyên khối chắc chắn. Đầu vào logic tương thích với đầu ra CMOS hoặc LSTTL tiêu chuẩn, xuống mức logic 3,3V. Trình điều khiển IR2104 cổng là bộ khuếch đại công suất chấp nhận đầu vào công suất thấp từ IC điều khiển và tạo ra đầu vào ổ đĩa dòng cao cho cổng của một bóng bán dẫn công suất cao như MOSFET điện. Về bản chất, một trình điều khiển cổng bao gồm một bộ dịch mức kết hợp với bộ khuếch đại, suất cao như MOSFET điện. Về bản chất, một trình điều khiển cổng bao gồm một bộ dịch mức kết hợp với bộ khuếch đại.
Hình 2.4: Mosfet driver IR2104
2.5. CẢM BIẾN DÒNG ACS712
2.5.1. Giới thiệu
Cảm biến dòng điện ACS712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall. ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho.
Có 3 loại cảm biến dòng ACS712 thông dụng hiện nay: 5A – 20A – 30A
Hình 2.5: Cảm biến dòng ACS712 – 5A
2.5.2. Thông số kỹ thuật
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của cảm biến dòng ACS712 – 5A
|
Thời gian chuyển đổi |
5 µs |
|
Điện trở trong |
1.2 mΩ |
|
Nguồn điện sử dụng |
5V |
|
Độ nhạy đầu ra |
180 mA ~ 190 mA |
|
Nhiệt độ hoạt động |
-40oC ~ 85oC |
|
Điện áp cách ly tối đa |
2100V |
2.5.3. Code đọc giá trị ACS712
- int OutPin = A0; // Lưu chân ra của cảm biến
- void setup() {
- //Đối với một chân analog bạn không cần pinMod
- Serial.begin(9600);//Mở cổng Serial ở mức 9600
- }
- void loop() {
- int value = analogRead(OutPin); // Ta sẽ đọc giá trị hiệu điện thế của cảm biến
- // Giá trị được số hóa thành 1 số nguyên có giá trị
- // trong khoảng từ 0 đến 102
- float volt = value / 5.0 * 20.0; // Bây giờ ta chỉ cần tính ra giá trị dòng điện
- // Với mạch 30A ta sửa lại thành * 30.0
- Serial.println(volt);//Xuất ra serial Monitor. Nhấn Ctrl+Shift+M để xem
- delay(10)
- }
2.5.4. Cách sử dụng cảm biến dòng ACS712
Cảm biến dòng điện ACS712 có thể dùng để do dòng điện một chiều và xoay chiều:
- Đo dòng điện một chiều:
Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng điện đi từ Ip+ đến Ip- để Vout ra mức điện thế 2.5 - 5V tương ứng dòng 0 - 5A, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5V đến 0V tương ứng với 0A đến -5A.
Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với domino), thì Vout=2.5V. Khi dòng Ip( dòng của tải) bằng 5A thì Vout=5V, Vout sẽ tuyến tính với dòng Ip, trong khoản 2.5V đến 5V tương ứng với dòng 0 đến 5A.
Để kiểm tra dùng đồng hồ VOM thang đo DC đo Vout.
- Đo dòng điện xoay chiều:
Khi đo dòng điện AC, do dòng điện AC không có chiều nên không cần quan tâm chiều. Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với domino), thì Vout=2.5V. Khi có dòng xoay chiều Ip(dòng AC) do dòng xoay chiều độ lớn thay đổi liên tục theo hàm sin, nên điện thế Vout sẽ là điện thế xoay chiều hình sin có độ lớn tuyến tính với dòng điện AC 0 đến 5V(thế xoay chiều xoay chiều) tương ứng với -5A đến 5A (dòng xoay chiều).
Để kiểm tra dùng đồng hồ VOM thang đo AC đo Vout.
2.6. DIODE MBR30100
