LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 09 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Mai Phƣớc Trải iii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn: - Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
- Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vĩnh Long. - Thầy cô làm việc ở các phòng, khoa chuyên môn, thƣ viện, đặc biệt là phòng Đào tạo sau đại học, khoa cơ khí động lực trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. - Thầy cô làm việc ở các phòng tổ chức hành chính, phòng kế toán tài vụ, phòng đào tạo, phòng quản lý khoa học, thƣ viện, khoa cơ khí Động lực trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vĩnh Long.
- Thầy hƣớng dẫn tiến sĩ Lê Thanh Phúc đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, động viênvà tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Xin kính chúc thầy luôn mạnh khỏe, vui tƣơi, hạnh phúc và tiến bƣớc trên sự nghiệp giáo dục của mình. - Thầy phản biện luận văn đã có những ý kiến đóng góp giúp em hoàn thiện đƣợc tốt luận văn của mình. Chúc thầy vui vẻ, khỏe mạnh, hạnh phúc.
- Thầy cô tham gia giảng dạy lớp cao học ngành kỹ thuật cơ khí động lực niên khóa 2013 – 2015B. - Gia đình, ngƣời thân, đồng nghiệp, bạn bè. Đã tận tình giúp đỡ động viên và tạo mọi đều kiện thuận lợi về mọi mặt giúp tôi hoàn thành khóa học. HCM, Ngày 18 tháng 09 năm 2015 Ngƣời nghiên cứu Mai Phƣớc Trải iv TÓM TẮT Luận văn này trình bày việc thiết kế và thi công mô hình bơm nƣớc sử dụng pin năng lƣợng phục vụ cho đời sống sản xuất, sinh hoạt cho ngƣời dân nông thôn ở Đồng bằng sông Cửu Long.
Ngƣời sử dụng vận hành ở hai chế độ bơm là có hẹn thời gian và không có hẹn thời gian. Tác giả sử dụng vi điều khiển PIC18F4550-40 của hãng Microchip để đọc dòng điện đầu vào từ cảm biến dòng ACS756-50 và điện áp đầu vào, điện áp đầu ra từ cầu phân áp, đọc nhiệt độ của pin từ cảm biến nhiệt độ LM35, để điều khiển tần số đóng mở mạch kích MOSFET của mạch công suất, điều khiển đóng mở các Relay, tính toán hiển thị điện áp, công suất của pin, nhiệt độ, thời gian bơm lên màn hình LCD. Ngoài ra mạch còn có các tụ và IC ổn áp nguồn 7812 dùng để ổn định điện áp nguồn và các tụ dùng để bù sụt áp giúp cho mạch hoạt hoạt động ổn định. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hoạt động khá ổn định và đạt yêu cầu đề ra.
Điện áp đầu vào của mạch từ pin năng lƣợng mặt trời thay đổi liên tục từ 14V đến 18V. Điện áp này phục thuộc vào cƣờng độ bức xạ của ánh nắng mặt trời chiếu xuống diện tích của pin. Điện áp đầu ra của mạch cấp cho tải dao động nhỏ từ 24V đến 26V. Bằng kết quả thực nghiệm cho thấy, điện áp đầu ra khỏi mạch nạp cho ắc qui ổn định hơn so với điện áp cấp cho bơm hoạt động do công suất của bơm lớn hơn của bình ắc qui.
Điện áp từ ắc qui cấp cho bơm qua Relay giảm theo thời gian, và giá trị dao động từ 24V đến 22V thì dừng bơm. Từ khóa: Mô hình bơm nƣớc, Pin năng lƣợng mặt trời, Mạch điều khiển bơm. v ABSTRACT The key content of this thesis is about the design of water pumping model using in order to serve the production, irrigation systems and everyday living for rural residents in Mekong Delta. This system can be used in dual-mode operation including pump with timer and no timer.
The author has used its micro controllers PIC18F4550-40 from the Microchip producer to read the input current flow from its sensor ACS756-50, and the input, output voltage from the potentiometer, read the temperature of the battery from a sensor LM35 to control all Commutation frequency which is used to open or close fiel circuit MOSFET of the power circuit, control the opening of the Relay, calculate and display voltage, battery capacity, temperature, time diaphragm in the LCD. Besides, the circuits also have capacitors and IC 7812 voltage regualator which are used for stablizing the voltage source, and the other capacitors are used to compensate for the voltage as it is lower in order to make the circuit stable. Experimental results show that the model works quite stably and effectively. The input voltage of solar panels is changing continuously from 14V to 18V dependent on the radiation intensity of sun which shines down the square of the battery.
However, the output voltage has not changed drammatically from 24V to 26V. With the experiment, it can be seen the output voltage of the circuit which charges the battery is more stable than that of the pump since the model of using the pump power is more than the battery power. If the voltage from the battery which supplies to pump has decreased through RELAY from 24V to 22V, it will stop working. Keywords: Models of water pump, Solar batteries, Pump control circuit.
vi MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI .iii LÝ LỊCH KHOA HỌC. i LỜI CAM ĐOAN .iii LỜI CẢM ƠN. vi MỤC LỤC. vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.
xii DANH MỤC HÌNH .xiii DANH MỤC CÁC BẢNG. xvii Chƣơng 1. 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .1 Tồng quan về lĩnh vực nghiên cứu .2 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nƣớc .1 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong nƣớc .2 Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng ngoài nƣớc .3 Mục đích của đề tài .4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .2 Giới hạn của đề tài .5 Phƣơng pháp nghiên cứu .6 Điểm mới của đề tài .7 Giá trị thực tiễn của đề tài .8 Bố cục của luận văn. 14 vii Chƣơng 2.
15 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LUẬN VĂN .1 Lý thuyết về Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời .1 Lý do chọn năng lƣợng mặt trời .3 Nguồn bức xạ Mặt trời .2 Cơ sở lý thuyết của Pin năng lƣợng Mặt Trời .1 Pin năng lƣợng Mặt trời là gì? .2 Lịch sử về pin năng lƣợng Mặt Trời .3 Nền tảng của pin năng lƣợng Mặt trời.4 Vật liệu chế tạo pin năng lƣơng mặt trời .5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lƣơng Mặt trời .2 Nguyên lý hoạt động .6 Hiệu suất của pin năng lƣợng Mặt trời .7 Ƣu và nhƣợc điểm của pin năng lƣợng Mặt Trời .1 Ƣu điểm của năng lƣợng Mặt trời .2 Nhƣợc điểm của pin năng lƣợng mặt trời.8 Đặc tính làm việc của pin mặt trời .3 Lý thuyết về công suất cực đại của pin năng lƣợng Mặt trời .1 Tầm quan trọng của việc dò tìm công suất cực đại .2 Thuật toán Perturb & Observe (P&O) để tìm điểm công suất cực đại.4 Lý thuyết về biến đổi điện áp trong hệ thống pin năng lƣợng Mặt trời .1 Bộ biến đổi điện áp DC/DC.2 Bộ biến đổi áp DC/DC boost converter.5 Giới thiệu động cơ bơm nƣớc và tính toán trên cơ sở lý thuyết .1 Ƣu điểm của động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều .1 Ƣu điểm của động cơ điện xoay chiều .2 Ƣu của động cơ điện một chiều .2 Cấu tạo của máy bơm nƣớc .3 Nguyên lý hoạt động của bơm màng .3 Một số lợi điểm của máy bơm màng .4 Đặt tính là việc của bơm màng .6 Cở sở lý thuyết tính toán hệ thống pin năng lƣợng Mặt trời .1 Tính tổng lƣợng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị sử dụng mỗi ngày .2 Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày .3 Tính toán kích cở tấm pin mặt trời cần sử dụng .4 Tính toán ắc qui (battery) .7 Lý thuyết về hƣớng dẫn sử dụng và bảo dƣỡng ắc qui .1 Nguyên lý hoạt động của ắc qui .2 Hƣớng dẫn cách nạp điện cho ắc qui trƣớc khi sử dụng .3 Hƣớng dẫn cách nạp điện ắc qui trog quá trình sử dụng. 51 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BƠM NƢỚC .1 Các yêu cầu kỹ thuật khi chế tạo mô hình bơm nƣớc .1 Yêu cầu về kỹ thuật .2 Yêu cầu về kinh tế .2 Sơ đồ của mô hình .1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của mô hình .2 Sơ đồ kết cấu của mô hình.3Tính hệ thống pin năng lƣợng mặt trời sử dụng cho mô hình .3 Chọn các thiết bị cho mô hình .1 Chọn Thông số kỹ thuật cho pin năng lƣợng Mặt Trời .2 Chọn thông số kỹ thuật cho máy bơm nƣớc .1 Tính toán ống hút của máy bơm .2 Tính toán vòi phun nƣớc .3 Chọn ắc qui .4 Thi công bo mạch cho mô hình .1 Chọn linh kiện điện tử cho bo mạch .2 Yêu cầu của của linh kiện điện tử .3 Mạch điều khiển công suất .1 Tính toán chọn các linh kiện điện tử cho mạch công suất .2 Giải thuật chƣơng trình điều khiển điện áp của mạch công suất.3 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển công suất .4 Mạch nguồn cho vi điều khiển .5 Mạch Cảm biến dòng ACS756-50 .6 Mạch Reset cho vi điều khiển và hiển thị LCD 16x2 .7 Sơ đồ mạch điều khiển relay .1 Giản thuật đều khiển relay bơm .2 Mạch điều khiển Relay 1 lấy điện áp từ pin cấp cho bơm .4 Mạch điều khiển Relay 3 lấy điện áp từ pin nạp cho ắc qui .9 Sơ đồ mạch nút nhấn tăng thời gian bơm .10 Sơ đồ mạch nút nhấn thời gian bơm giảm .11 Giản thuật điều khiển nút nhấn hẹn và không hẹn thời gian bơm .5 Quy trình làm mach. 77 x THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN. 77 HƢỚNG PHÁT TRIỂN.1 Các quy định về an toàn khi vận hành thiết bị .1 Các quy định về an toàn .2 Những vấn đề cần lƣu ý khi tai nạn đã xảy ra .3 Những quy định khi làm việc với ắc qui .4 Kiểm tra các hệ thống trƣớc khi vận hành.5 Kiểm tra hàng ngày .2 Hƣớng dẫn lắp đặt và đấu dây cho mô hình .3 Hƣớng dẫn vận hành thiết bị .1 Một số yêu cầu khi vận hành thiết bị.2 Hoạt động của mô hình .3 Các trƣờng hợp hoạt động của mô hình thực tế nhƣ sau .4 Kết quả thực nghiệm .1 Thực nghiệm đo điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi bơm hoạt động .2 Thực nghiệm đo điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi nạp điện cho ắc qui .3 Thực nghiệm khi bơm bằng ắc qui .4 Nhận xét kết quả thực nghiệm .5 Thực nghiệm thực tiễn khi bơm nƣớc tƣới cho hoa màu.6 Đánh giá kết quả đạt đƣợc .