Thiết kế bộ sạc dùng nguồn điện mặt trời cho đèn tín hiệu và đèn giao thông sử dụng hệ thống điều khiển không...

Công nghiệp năng lượng
09/01/2023 10:37
Việc đầu tư xây dựng hạ tầng giao thông không đồng bộ như hiện nay (đường có trước, đèn tín hiệu có sau) thì việc đào xới, khoan cắt lòng đường, vỉa hè là điều không tránh khỏi. Bên cạnh đó nguồn điện lưới cung cấp hoạt động không ổn định cũng là vấn đề làm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, ảnh hưởng đến an toàn giao thông. Nhóm nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với công nghệ truyền tín hiệu điều khiển không dây trong hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông để giải quyết các bất cập nêu trên.
aa

Tóm tắt

Hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông là hệ thống đèn được sử dụng để hướng dẫn điều khiển các phương tiện tham gia giao thông tại các giao lộ có lưu lượng giao thông phức tạp. Đây là một hệ thống quan trọng không chỉ đảm bảo an toàn cho con người và các phương tiện mà còn giúp giảm ùn tắc giao thông, đảm bảo an toàn giao thông.

Tuy nhiên với việc đầu tư xây dựng hạ tầng giao thông không đồng bộ như hiện nay (đường có trước, đèn tín hiệu có sau) thì việc đào xới, khoan cắt lòng đường, vỉa hè là điều không tránh khỏi. Bên cạnh đó nguồn điện lưới cung cấp hoạt động không ổn định cũng là vấn đề làm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, ảnh hưởng đến an toàn giao thông. Vì vậy, nhóm nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với công nghệ truyền tín hiệu điều khiển không dây trong hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông để giải quyết các bất cập nêu trên.

1.Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu

1.1 Hệ thống điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu

Hệ thống đèn tín hiệu giao thông bao gồm các thành phần chính:

• Đèn tín hiệu giao thông
• Tủ điều khiển giao thông
• Các thành phần phụ trợ

Bảng 1. Bảng thông số kỹ thuật đèn

thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong

1.2 Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong điều khiển giao thông sử dụng hệ thống điều khiển không dây

Trong mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng điều khiển không dây, nguồn điện của đèn tín hiệu được cung cấp tại chỗ từ hệ thống quang năng lượng mặt trời và tín hiệu điều khiển được cung cấp từ tủ điều khiển đến đèn thông qua các bộ thu phát không dây.

Tại mỗi trụ đèn tín hiệu sẽ được đặt 1 bộ điều khiển phụ (CPU slave) để điều khiển đèn tín hiệu tại trụ đèn đó. Các CPU slave này sẽ được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm (CPU master) thông qua các loại kết nối vô tuyến không dây khác nhau.

thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong
Hình 1. Mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông kết nối không dây

Các cảm biến dòng tại bộ điều khiển sạc của ắc quy sẽ cung cấp thông tin về công suất nguồn cung cấp từ năng lượng mặt trời tới thành phần xử lý tích hợp tại tủ điều khiển chính. Khi nguồn cung cấp giảm sút tới một mức năng lượng nhất định, tủ điều khiển sẽ đưa ra chế độ đóng cắt các bộ đèn và đèn LED tương ứng.

Chế độ 1: Ngắt hoạt động của một số bộ đèn trên một trụ

Chế độ 2: Ngắt hoạt động của một số lượng LED trên một bộ đèn

2. Thiết kế hệ thống tấm quang điện mặt trời kết hợp điều khiển không dây cấp nguồn cho hệ thống đèn tín hiệu giao thông

2.1. 1. Hệ thống các tủ và nút đèn tín hiệu được kết nối về điều khiển trung tâm

thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong
Hình 2. Mô hình cấu trúc hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

Hệ thống bao gồm các thành phần:

  • Hệ thống điều khiển, giám sát trung tâm (Level 1)
  • Các tủ điều khiển vùng (Level 2)
  • Các tủ điều khiển nút (Level 3)

    Bảng 2. Chu kỳ phân pha đèn tín hiệu

    thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong2.1.2 Lựa chọn mô hình

    a, Mô hình hệ thống pin năng lượng mặt trời

    Hệ thống được phân chia thành 8 vị trí cấp nguồn tương ứng với 08 hệ thống con với mô hình hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập có dự trữ. Ngoài ra, tại vị trí đầu dải phân cách còn lắp đặt thêm 04 trụ đèn cảnh báo nháy vàng độc lập sử dụng năng lượng mặt trời.

    thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong
    Hình 3. Sơ đồ chuyển điện năng lượng của hệ thống pin năng lượng mặt trời

    b, Mô hình hệ thống điều khiển không dây

    Tủ trung tâm thực hiện khả năng giám sát và điều khiển hoạt động của các đèn tín hiệu thông qua 06 bộ điều khiển tại trụ. Giao thức kết nối không dây được sử dụng là wifi.

    Các module mở rộng cho phép tủ điều khiển có khả năng kết nối về trung tâm điều hành.

    thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong
    Hình 4. Tủ điều khiển không dây

    2.1.3 Tính toán lựa chọn pin mặt trời

    a, Lượng điện (Wh) mà các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày

    Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng lượng điện tiêu thụ của toàn tải.

    PV modules phải cung cấp = 1,3 x Eout (Wh/day)

    Trong đó 1,3 là hệ số an toàn, dùng để bù suy hao do hệ thống.

    b, Tính toán tổng Watt-peak (Wp) cần của hệ thống mặt trời

    Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng một tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, người ta phải khảo sát từng vùng và đưa ra hệ số phát điện của pin mặt trời. Hệ số phát điện này là tích số của hiệu suất hấp thu và độ bức xạ năng lượng mặt trời trong các tháng ít nắng của vùng, đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).

    2.1.4 Tính toán hệ thống ắc quy và bộ điều khiển sạc

    a, Bộ điều khiển sạc

    Bộ điều khiển sạc có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của ắc quy. Công suất của bộ điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện năng từ panel và đủ công suất để nạp ắc quy. Với hệ số an toàn là 1,3 và chọn hệ ắc quy 6 – 12VDC, ta cần bộ điều khiển có dòng Imax = 1,3 x dòng ngắn mạch Isc của hệ pin mặt trời (8.46A)

    Vậy ta chọn 2 loại bộ điều khiển sạc là Leonics SPT-1212 và Leonics SPT-1230

    Đối với hệ thống nối trực tiếp này thì tải chỉ hoạt động lúc trời nắng thích hợp với các ứng dụng như quạt thông gió, bơm nước và máy bơm tuần hoàn nhỏ cho hệ thống nưóc nóng. Hình 5 dưới đây mô tả hệ thống pin mặt trời độc lập với tích trữ năng lượng.

    thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong
    Hình 5: Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập với ác quy.

    b, Bộ ắc quy

    Battery dùng cho hệ thống năng lượng mặt trời là loại deep- cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Loại này có khả năng nạp xả rất nhiều lần (có nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao.

    Dung lượng của hệ thống ắc quy tính ra Ah, phụ thuộc vào hiệu điện thế Vx của hệ thống ắc quy, số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng) D, hiệu suất nạp xả điện của ắc quy (khoảng 0,7 -0,8), mức sâu xả điện thích hợp DOS (khoảng 0,6 đến 0,8). Trong đó: Eout là tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày tại mỗi trụ. Ta chọn: D =3 (ngày)

    c, Hệ thống sạc ác quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho đèn đường giao thông

    Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và kết nối tải led là ứng dụng sử dụng cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời độc lập với việc chiếu sáng giao thông, do đó cần phải sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng. Hệ thống bao gồm pin mặt trời, ắc quy, LED, các bộ biến đổi, khối điều khiển. Năng lượng được truyền từ pin mặt trời đến ắc quy thông qua bộ biến đổi DC – DC và tải tiêu thụ năng lượng từ ắc quy. Các thuật toán dò công suất cực đại, thuật toán sạc, điều khiển và phân phối ra tải được tích hop trong một vi điều khiển.

thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong
Hình 6: Sơ đồ mạch thực nghiệm bộ biến đổi sạc ác quy.

thiet ke bo sac dung nguon dien mat troi cho den tin hieu va den giao thong su dung he thong dieu khien khong
Hình 7. Sơ đồ thiết kế đèn giao thông kết hợp nguồn điện mặt trời

3. Kết luận

Nhóm nghiên cứu và thiết kế đã đưa ra giải pháp kỹ thuật chủ yếu việc ứng dụng pin mặt trời kết hợp điều khiển không dây để cung cấp nguồn điện cho hệ thống đèn tín hiệu giao thông và cảnh báo giao thông. Xây dựng hệ thống đèn tín hiệu giao thông di động với ứng dụng hệ thống không dây kết hợp pin năng lượng mặt trời có kết nối về trung tâm nhằm đáp ứng nhu cầu về việc điều tiết giao thông khi xảy ra các tình huống cục bộ khẩn cấp.

Phát triển các giải pháp tủ điều khiển có khối chức năng tích hợp với camera cảm biến giao thông phục vụ phối hợp điều khiển tín hiệu giao thông không dây, thiết lập phối hợp điều khiển giữa các nút và giữa các tuyến trên địa bàn thành phố.

Phát triển giải pháp giám sát nguồn năng lượng có thể tự động thống kê và điều chỉnh các chế độ hoạt động của hệ thống điều khiển tập trung gồm nhiều nút giao thông, trong đó có sự kết hợp giữa nguồn điện lưới, nguồn năng lượng mặt trời và các nguồn dự phòng khác.

Tài liệu tham khảo

  • Hersch, K. Zweibel, “Basic Photovoltaic Principles and Methods,” Technical Infor – mation Office, 1982.
  • Silje Odland Simonsen, “Development of a Grid connected PV System for laboratory Use,” Norwegian University of Science and Technology,
  • C. Mira, A. Knott, O. C. Thomsen, M. A. E. Andersen, “Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Applications,” Faculty of Electronics, Commu- nications and Automation, 2010.
  • Diamila Rekioua,Ernest Matagne, “Optimization of Photovoltaic Power systems,” Sp- inger London Dordrecht Heidelberg New York,
  • G. Villalva, J. R. Gazoli, E. R. Filho, “Analysis and simulation of the P & O MPPT algorithm using a linearized PV array model,” 10th Brazillian Power Electronics Con- ference (COBEP), 2009.
  • F. Coelho, F. M. Concer, D. C. Martins, “Analytical and Experimental Analysis of DC-DC Converters in Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Applications,” Federal University of Santa Catarina-Brazil, 2010.
  • W. Erickson, Fundermentals of Power Electronics. Kluwer Academic Publishers, 2001.
  • QuadTech, “Equivalent Series Resistance of Capacitors,”
  • S. Morales, “Boost Converter with Combined Control Loop for a Stand-Alone Photovoltaic Battery Charge System,” Power Electronics, IEEE Transactions, 2007.
  • H. Phương, “Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất.” 2014.
  • Winder, Power Supplies for LED Driving. Newnes, 2008.
  • Cao, A. P. Power, “Design Type II Compensation In A Systematic Way,” 2001.

Ngô Đăng Lưu (Công ty Anh Minh Global)
Nguyễn Hùng (Trường ĐH Công nghệ TPHCM)
Nguyễn Thị Nguyệt Ánh (Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường TPHCM)

hoi-cho-duoc-lieu
Tin bài khác
"Thư từ Roma": Bài 2 – Đi học tuổi 50

"Thư từ Roma": Bài 2 – Đi học tuổi 50

Bài 2 trong loạt bài "U50 đi du học" của tác giả Tô Phương Thủy – Phóng viên thường trú của Tạp chí Công dân và Khuyến học tại Châu Âu - Đi học tuổi 50: Nỗi sợ thay đổi và hành trình tìm lại niềm vui.
Sinh viên tích hợp các công nghệ AI vào dự án hỗ trợ người gặp hoàn cảnh khó khăn

Sinh viên tích hợp các công nghệ AI vào dự án hỗ trợ người gặp hoàn cảnh khó khăn

Vòng chung kết chương trình truyền hình thực tế “Sinh Viên Thế Hệ Mới 2024" mùa thứ hai vừa kết thúc thành công tốt đẹp. Đội quán quân thuộc về sinh viên Đại Học Ngoại Ngữ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Thị trường chứng khoán ngày 21/11: Đà hồi phục tiếp diễn nhưng thanh khoản giảm mạnh

Thị trường chứng khoán ngày 21/11: Đà hồi phục tiếp diễn nhưng thanh khoản giảm mạnh

Phiên đáo hạn phái sinh ngày 21/11 đã diễn ra khá tích cực khi thị trường duy trì đà tăng và không có biến động bất ngờ vào cuối phiên. Tuy nhiên, thanh khoản thị trường yếu nên chưa thể xác định rõ xu hướng hồi phục.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/11/2024: Tuổi Dần gặp tin xấu, tuổi Ngọ công việc thuận lợi

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/11/2024: Tuổi Dần gặp tin xấu, tuổi Ngọ công việc thuận lợi

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 22/11/2024 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Kế hoạch hành động quốc gia về phát triển kinh tế số giai đoạn 2024 - 2025

Kế hoạch hành động quốc gia về phát triển kinh tế số giai đoạn 2024 - 2025

Phó Thủ tướng Thường trực Nguyễn Hòa Bình ký Quyết định số 1437/QĐ-TTg ngày 20/11/2024 ban hành Kế hoạch hành động quốc gia về phát triển kinh tế số giai đoạn 2024 - 2025.
Vietinbank dẫn đầu ngành ngân hàng về tổng thu nhập hoạt động 9 tháng đầu năm 2024

Vietinbank dẫn đầu ngành ngân hàng về tổng thu nhập hoạt động 9 tháng đầu năm 2024

9 tháng đầu năm 2024, VietinBank dẫn đầu ngành ngân hàng khi tổng thu nhập hoạt động (TOI) tăng trưởng 16%, đạt hơn 60.600 tỷ đồng, bỏ xa ngân hàng BIDV và Vietcombank.
Ứng dụng công nghệ cao trong phát triển lâm nghiệp bền vững

Ứng dụng công nghệ cao trong phát triển lâm nghiệp bền vững

Nhiều ứng dụng mới được áp dụng trong ngành lâm nghiệp không chỉ giúp truy xuất nguồn gốc rừng nguyên liệu, định vị từng khoảnh rừng mà còn có thể đo được khả năng hấp thụ carbon, bụi mịn của từng loại cây.
Vì sao pin dự phòng không được để trong hành lý ký gửi máy bay?

Vì sao pin dự phòng không được để trong hành lý ký gửi máy bay?

Pin lithium, dù ở dạng pin nhỏ trong máy ảnh, bàn chải điện, điện thoại, laptop hay tablet, đều bị hầu hết các hãng hàng không cấm mang trong hành lý ký gửi. Quy định này nhằm giảm thiểu nguy cơ cháy nổ trong khoang hàng hóa.
Nhận định chứng khoán ngày 21/11: Thị trường đã có tín hiệu phục hồi

Nhận định chứng khoán ngày 21/11: Thị trường đã có tín hiệu phục hồi

Với những điểm tương đồng với giai đoạn cuối năm 2016, kỳ vọng sau phiên đáo hạn phái sinh, thị trường sẽ bước vào chu kỳ tăng trưởng mạnh mẽ hơn. Nhà đầu tư cần bám sát diễn biến, nắm giữ cổ phiếu tiềm năng và chuẩn bị dòng tiền để tận dụng cơ hội gom hàng khi điều chỉnh.
Agribank tích hợp ESG trong lĩnh vực kinh doanh và triển khai đều cả ba trụ cột E,S,G

Agribank tích hợp ESG trong lĩnh vực kinh doanh và triển khai đều cả ba trụ cột E,S,G

Bà Nguyễn Thị Thu Hà, Giám đốc Trường Đào tạo cán bộ Agribank, Phó Trưởng Ban Chỉ đạo ESG Agribank (Ngân hàng Agribank) cho biết, hiện ngân hàng đã thành lập Ban chỉ đạo và tổ giúp việc triển khai ESG.