Chương 3.NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THỐNG CHIẾU SÁNG BẰNG ĐÈN
3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Trong hệ thống đèn giao thông bằng đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời được đề cập trong phần trên có sử dụng thêm acquy để tích điện sử dụng cho cả ngày như trong hình 3.1.
Hình 3. 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đèn Led
Theo hình 3.1, hệ thống chiếu sáng bằng đèn Led sử dụng hai bảng đèn Led song song cần nguồn cung cấp 12VDC, được chiếu sáng cùng lúc. Cấu trúc của hệ thống gồm các khối: khối nguồn (pin mặt trời), khối sạc acquy (bộ sạc), khối điều khiển bộ sạc và khối tải (bộ điều khiển Led và đèn Led).
Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
+ Ban ngày, năng lượng mặt trời sẽ được biến đổi từ quang năng thành điện năng thông qua hệ thống pin mặt trời.
+ Bộ sạc acquy để tích điện cho acquy, nguồn điện này sẽ cung cấp cho đèn LED sử dụng vào ban đêm hoặc khi không đủ ánh sáng (ngày mưa bão, không nắng).
+ Bộ điều khiển đèn Led dùng để điều khiển đóng/tắt và điều chỉnh độ sáng, tối cho đèn.
+ Nguồn điện áp phân cực nhỏ có thể được lấy điện từ pin mặt trời hoặc từ acquy để sử dụng cung cấp nguồn cho bộ vi điều khiển. Nguồn này có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp của acquy và không cần cách ly.
+ Bộ điều khiển điều cấp tín hiệu điều khiển cho bộ sạc acquy để sạc điện từ pin mặt trời và cho bộ điều khiển đèn Led để đóng/tắt đèn.
Dưới đây ta sẽ phân tích chức năng của từng khối.
3.2 Bộ điều khiển nạp acquy [4]
Acquy là bộ phận quan trọng trong hệ thống đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời có chức năng trữ năng lượng nhận được từ pin mặt trời vào ban ngày và cung cấp năng lượng điện cho đèn vào ban đêm cũng như dự phòng cho những ngày mưa.
Nếu dung lượng acquy nhỏ, sẽ không đủ năng lượng dự phòng cho những ngày không nắng hoặc mưa. Ngược lại, nếu dung lượng acquy quá lớn thì sẽ làm cho hệ thống pin mặt trời lớn để có thể sạc đầy acqquy trong một ngày. Các tấm pin mặt trời và acquy quá lớn sẽ làm tăng chi phí cho hệ thống và gây lãng phí. Nếu các tấm pin không đủ lớn, acquy có thể không sạc đầy trong một ngày, điều này làm ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc cũng như tuổi thọ của acquy.
Acquy cho hệ thống pin mặt trời còn có đặc điểm là tốc độ xả chậm, thời gian xả dài, do đó thường chọn acquy chì có dung lượng lớn. Ngoài ra, việc lựa chọn acquy còn dựa vào các tiêu chí sau [6]:
- Tuổi thọ cao: tuổi thọ của acquy tương đương với tuổi thọ của hệ thống (acquy có tuổi thọ cao thì hệ thống càng ít phải bảo dưỡng, sửa chữa);
- Khả năng dự trữ lớn (dự phòng cho những ngày mưa hoặc không có nắng);
- Hiệu suất sạc cao, có thể rút ngắn thời gian sạc (đảm bảo sạc đầy nhanh trong những ngày có số giờ nắng ít);
- Độ kín cao, không bị rò khí hay axit (đảm bảo an toàn cho việc vận hành cũng như tiện sắp xếp bộ điều khiển cạnh acquy);
- Nhiệt độ làm việc rộng: do acquy làm việc ở ngoài trời nên có thể chịu được sự biến đổi nhiệt độ lớn (từ -200C đến 500C);
- Đặc tính xả tốt.
Dựa trên cơ sở sử dụng bộ đèn LED 24W, ta xác định được công suất của acquy. Acquy sử dụng có thể cung cấp dòng điện định mức 2A (24W/12V) với 8 tiếng trong vòng hơn 3 ngày (trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt). Trong cấu trúc của hệ thống sử dụng acquy loại AGM MK 8A22NF – 63 Ah (có thể không sạc trong vòng 100 giờ). Loại acquy AGM là loại kín, khối lượng gọn nhẹ, hiệu suất sạc acquy cao với đặc tính làm việc tương tự như Acquy Gel Chì.
Tải đèn Led, bao gồm cả bộ điều khiển đóng cắt cho đèn được đóng cắt nhờ tín hiệu điều khiển đưa tới một mosfet mắc nối tiếp với acquy. Khi ở trạng thái ngắt, tải và acquy được cách ly với nhau đảm bảo không có dòng điện rò có thể gây phóng điện ngược trở lại acquy. Tín hiệu điều khiển bật đèn được lấy từ các tín hiệu rời rạc ở đầu vào như: điện áp acquy hay điện áp của panel pin mặt trời như bảng 3.1 dưới đây.
Để nối tải, acquy phải được sạc đầy và điện áp ra của panel pin mặt trời phải thấp, tương ứng với điều kiện lúc trời về ban đêm. Khi đèn bật đèn Led hay khi acquy đang sạc thì hai trạng thái này không gây ra điện áp xếp chồng. Khi đèn bật, acquy bắt đầu xả. Điện áp của acquy trong quá trình xả chỉ ra trạng thái sạc của acquy (bảng 3.1). Khi acquy xả tới mức độ đã được định trước, mạch logic tắt đèn cùng với giả thiết aquy lúc này đã kiệt và không nên xả sâu thêm nữa. Việc acquy xả càng sâu thì tuổi thọ của acquy càng ngắn.
Hình 3.3 biểu thị điện áp lớn nhất và điện áp trôi cũng như sự phụ thuộc của chúng vào nhiệt độ. Việc theo dõi nhiệt độ của acquy sẽ đảm bảo thời gian sạc thích hợp.
Bảng 3.1 biểu thị trạng thái sạc của acquy cũng như điện áp hở mạch tương ứng với các trạng thái. Qua bảng này, ta có thể xác định khi nào thì ngắt sạc acquy cũng như thời điểm để ngắt hệ thống đèn. Việc ngắt đèn ra khỏi hệ thống có thể linh động theo từng trường hợp nhưng không nên để acquy xả cạn sẽ làm giảm tuổi thọ của acquy. Bảng 3.2 cho ta gợi ý để vận hành việc kết nối tải và acquy một cách linh hoạt, phù hợp đảm bảo độ bền cho acquy.
Hình 3. 2 Đặc tính I-V của pin mặt trời Kyocera KC50 [3]
Hình 3. 3 Điện áp sạc của acquy theo nhiệt độ [3]
Bảng 3. 1Trạng thái sạc của acquy tương ứng với điện áp [3]
Bảng 3. 2 Bảng logic điều khiển đóng cắt tải [3]
T STT
Chức năng Điều kiện tích cực
Điều kiện không tích cực
Nhận xét
1 Kết nối tải (LED on)
Vacquy >12,5V &
VPV < 5V
VAcquy <11,9V hoặc VPV >10V
Ngắt công tắc khi cung cấp tải
2 2
Kết nối PV và bộ sạc ác quy Bulk
(VPV - VAcquy)
>3,4V và VAcquy
<14,4V
(VPV - VAcquy)
<0,7V và VAcquy
>14,4V
Có nguồn cung cấp, sạc điện cho ác quy 3
3
Bộ sạc ác quy
loại nhỏ VAcquy > 14,4V VAcquy < 14,4V
Ngắt công tắc, sạc bộ sạc ác quy loại nhỏ
4 4
Bảo vệ điện áp
thấp của ác quy VAcquy < 5V VAcquy > 5V Ngắt công tắc 5
5
Cảm biến nhiệt
độ của ác quy Nhiệt điện trở Nhiệt điện trở
<500kΩ
Ngắt công tắc, tránh nạp vượt mức
6 6
Bảo vệ quá áp
của ác quy VBộ sạc > 17V VBộ sạc < 15,4V Ngắt bộ sạc ác quy loại nhỏ
Việc sạc acquy thông thường có ba phương pháp [5]:
- Phương pháp trực tiếp (bật/tắt): Đây là phương pháp đơn giản dùng các transistor và rơ le cơ bản để điều khiển điện áp sạc.
- Phương pháp bám điểm công suất cực đại (MPPT- Maximum Power Point tracking): Đây là phương pháp cho hiệu suất cao, bám theo điện áp của acquy và buộc điện áp của pin mặt trời theo nó. Phương pháp này đảm bảo việc sạc tối đa nhờ chuyển đổi điện áp cao từ pin mặt trời thành điện áp thấp hơn, phù hợp cho sạc acquy.
- Phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulated Design) Theo phương pháp này, bộ điều khiển liên tục kiểm tra điện áp của acquy để điều chỉnh thời gian và độ rộng của xung điện áp nó gửi tới acquy. Độ rộng của xung thay đổi từ vài mili giây đến một vài giây. Phương pháp này hoạt động như một công tắc đóng/ngắt cực nhanh để ngắt dòng điện từ pin mặt trời thành các xung có tần số và biên độ không đổi sau đó đưa một dãy các xung đã được điều biến độ rộng đó đến
điện áp DC
dòng AC dòng ổn định điện áp ổn định thời gian sạc đầy
sạc chậm sạc Bulk
giai đoạn sạc đầy
điện áp và dòng điện giảm
thời gian
PWM là phương pháp điều khiển sạc acquy hiệu quả và rẻ mà không làm acquy bị quá nhiệt.
Việc sạc acquy thường trải qua ba giai đoạn tùy theo thời gian và điện áp của acquy.
Hình 3. 4 Ba trạng thái sạc của acquy
Trạng thái sạc Bulk: Đây là trạng thái đầu tiên của chu kỳ sạc khi mà điện áp của acquy còn rất thấp và công suất acquy gần hết bộ điều khiển sạc sẽ bắt đầu sạc. Ở trạnh thái này, dòng điện tới acquy được giữ lớn nhất có thể còn điện áp acquy tăng dần tới trạng thái Bulk (14,4 -14,6V) tương đương với 80-90% điện áp tiêu chuẩn.
Trạng thái absorption (sạc đầy): Khi điện áp acquy đạt đến 14,4 -14,6V, bộ điều khiển chuyển sang trạng thái absorption. Ở giai đoạn này, điện áp Bulk được duy trì trong một thời gian nhất định (khoảng một giờ) để sạc acquy đạt tới 100%. Vì điện áp giữ không đổi, nội trở tăng nên dòng điện giảm dần.
Trạng thái Float (sạc chậm): Đây là giai đoạn cuối của quá trình sạc acquy, điện áp của trạng thái này nhỏ hơn ở trạng thái Bulk (khoảng 12,6-13,2V). Mức điện áp này giữ cho acquy không xả ngược lại, kéo dài tuổi thọ cho acquy.