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)

tan-hoang-minh
Tin bài khác
Khi ransomware tìm đến nhà máy: vì sao hệ thống OT Việt Nam cần thêm lá chắn một chiều mang tên Data Diode

Khi ransomware tìm đến nhà máy: vì sao hệ thống OT Việt Nam cần thêm lá chắn một chiều mang tên Data Diode

Đầu năm 2024, hàng loạt tổ chức lớn tại Việt Nam trong các lĩnh vực tài chính, năng lượng và bưu chính liên tiếp hứng chịu các cuộc tấn công mã hoá dữ liệu (ransomware) gây gián đoạn dịch vụ trên diện rộng, thu hút sự chú ý của cả giới công nghệ lẫn báo chí trong nước.
AI mở rộng khả năng khám phá vật liệu, chẩn đoán thông minh

AI mở rộng khả năng khám phá vật liệu, chẩn đoán thông minh

Ngày 14/9, tại Hà Nội, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phối hợp với Trung tâm Đổi mới sáng tạo và Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học VinUni và Hội Vật lý Việt Nam tổ chức bài giảng đại chúng “AI với Vật lý”.
Nhận định phiên giao dịch ngày 17/9: Tập trung tỷ trọng vào cổ phiếu giữ vững xu hướng tích cực

Nhận định phiên giao dịch ngày 17/9: Tập trung tỷ trọng vào cổ phiếu giữ vững xu hướng tích cực

Sau phiên giao dịch giằng co quanh mốc 1.810 điểm, dòng tiền vẫn duy trì trạng thái thận trọng trước quyết định lãi suất của Fed. Trong bối cảnh thị trường phân hóa, nhà đầu tư được khuyến nghị tập trung vào những cổ phiếu đang giữ vững xu hướng giá tích cực.
BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

Tổng công ty Lọc hóa dầu Việt Nam (BSR) đang thúc đẩy hợp tác với Công ty TNHH Đầu tư công nghệ sinh học SDIC (SDIC Biotech) nhằm tăng cường nguồn cung ethanol phục vụ sản xuất xăng E10, đồng thời tìm kiếm cơ hội hợp tác trong các lĩnh vực nhiên liệu sinh học và năng lượng xanh.
Tập đoàn Đạt Phương được cấp hạn mức tín dụng hơn 11.000 tỷ đồng

Tập đoàn Đạt Phương được cấp hạn mức tín dụng hơn 11.000 tỷ đồng

Tập đoàn Đạt Phương vừa phê duyệt các giao dịch tín dụng với tổng hạn mức hơn 11.100 tỷ đồng tại 4 ngân hàng.
VietnamPrintPack 2026 thúc đẩy tự động hóa và chuyển đổi xanh ngành in, bao bì

VietnamPrintPack 2026 thúc đẩy tự động hóa và chuyển đổi xanh ngành in, bao bì

Triển lãm VietnamPrintPack 2026 diễn ra từ ngày 16 - 19/9 tại TP. Hồ Chí Minh, quy tụ gần 300 doanh nghiệp đến từ 13 quốc gia và vùng lãnh thổ, giới thiệu nhiều giải pháp về tự động hóa, AI, công nghệ in kỹ thuật số, bao bì thông minh và vật liệu bền vững.
Bà Nguyễn Thị Lâm Giang giữ chức Cục trưởng Cục Khoa học, Công nghệ và Chuyển đổi số

Bà Nguyễn Thị Lâm Giang giữ chức Cục trưởng Cục Khoa học, Công nghệ và Chuyển đổi số

Bà Nguyễn Thị Lâm Giang được Bộ Công Thương bổ nhiệm giữ chức Cục trưởng Cục Khoa học, Công nghệ và Chuyển đổi số từ ngày 15/9/2026, trong bối cảnh đơn vị mới được kiện toàn để thực hiện chức năng quản lý nhà nước về khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số trong ngành Công Thương.
Thị trường chứng khoán ngày 16/9: Chỉ số giằng co trên nền thanh khoản thấp

Thị trường chứng khoán ngày 16/9: Chỉ số giằng co trên nền thanh khoản thấp

VN Index gần như đi ngang trong phiên 16/9 khi thị trường thiếu nhóm dẫn dắt rõ ràng. Dầu khí hạ nhiệt, chứng khoán và bất động sản suy yếu, trong khi thanh khoản chỉ còn hơn 14,8 nghìn tỷ đồng cho thấy tâm lý thận trọng đang chi phối dòng tiền.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 17/9/2026: Tuổi Dần tài lộc khởi sắc, tuổi Hợi nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 17/9/2026: Tuổi Dần tài lộc khởi sắc, tuổi Hợi nên tránh nóng vội

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 17/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Không chỉ mua robot, doanh nghiệp Việt cần làm chủ năng lực tự động hóa

Không chỉ mua robot, doanh nghiệp Việt cần làm chủ năng lực tự động hóa

Robot và tự động hóa đang trở thành một trong những yếu tố quyết định năng lực cạnh tranh của sản xuất. Tuy nhiên, khi công nghệ ngày càng dễ tiếp cận, bài toán đặt ra với doanh nghiệp Việt Nam không còn đơn thuần là có đầu tư robot hay không, mà là làm thế nào để công nghệ thực sự tạo ra năng suất, tính linh hoạt và giá trị dài hạn.