intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Đồ án tốt nghiệp Điện dân dụng và công nghiệp: Mô hình tự động điều khiển pin mặt trời

Chia sẻ: Acacia2510 _Acacia2510 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST
Báo xấu
215
lượt xem 49
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Điện dân dụng và công nghiệp: Mô hình tự động điều khiển pin mặt trời

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU BỘ MÔN– ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI Họ và tên GVHD : ThS.Phạm Ngọc Hiệp Họ và tên SVTH : Nguyễn Minh Triều Mã số sinh viên : 16032261 Chuyên ngành : Điện dân dụng và công nghiệp Lớp : DH16DC Vũng Tàu, tháng 4 năm 2020
  2. 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 -
  3. 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 -
  4. 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 -
  5. 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 -
  6. 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 -
  7. 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 -
  8. 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 -
  9. 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 -
  10. 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 -
  11. 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 -
  12. 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 -
  13. 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 -
  14. 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 -
  15. 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 -
  16. 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 -
  17. 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 -
  18. 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 -
  19. 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 -
  20. 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 -
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2