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)

vcca2026
Tin bài khác
Kích hoạt thị trường xanh qua Chiến dịch tiêu dùng xanh 2026

Kích hoạt thị trường xanh qua Chiến dịch tiêu dùng xanh 2026

Sau hơn 16 năm lan tỏa nhận thức tiêu dùng có trách nhiệm, Tiêu dùng xanh 2026 bước sang giai đoạn mới khi lần đầu tiên được định vị như nền tảng kết nối doanh nghiệp xanh - hệ thống phân phối - người tiêu dùng, nhằm chuyển hóa các giá trị ESG, phát triển bền vững và sản xuất sạch thành lợi thế cạnh tranh thực chất trên thị trường nội địa.
‘Sáng tạo trẻ 2026’ mở rộng đối tượng tham gia, mục tiêu sáng tạo không giới hạn

‘Sáng tạo trẻ 2026’ mở rộng đối tượng tham gia, mục tiêu sáng tạo không giới hạn

Sáng 5/6, trong khuôn khổ Lễ tổng kết sinh viên nghiên cứu khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội cùng các cơ quan, doanh nghiệp chính thức phát động Cuộc thi “Sáng tạo trẻ 2026”.
Một mẫu xe điện VinFast chiếm hơn 43% thị phần tại Philippines

Một mẫu xe điện VinFast chiếm hơn 43% thị phần tại Philippines

Biến động chính trị Trung Đông đã đẩy giá nhiên liệu tại nhiều quốc gia tăng cao, trong đó có Philippines. Doanh số xe điện tại quốc đảo này tăng hơn 200% chỉ trong 2 tháng, mở ra cơ hội lớn cho các hãng xe điện, trong đó có VinFast.
Đại học Bách khoa Hà Nội long trọng trao giải cho hơn 700 đề tài nghiên cứu khoa học

Đại học Bách khoa Hà Nội long trọng trao giải cho hơn 700 đề tài nghiên cứu khoa học

Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) vừa tổ chức thành công Lễ Tổng kết Hoạt động Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Thi Olympic, SV Startup năm học 2025-2026 và phát động Cuộc thi Sáng tạo trẻ 2026. Buổi lễ vinh danh và trao giải cho hơn 700 đề tài nghiên cứu khoa học (NCKH), nhiều giải thưởng học thuật cấp quốc gia và quốc tế, cùng những dự án khởi nghiệp đạt giải Nhất toàn quốc.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 8/6/2026: Tuổi Dần đón cơ hội thăng tiến, tuổi Hợi đề phòng hao tài

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 8/6/2026: Tuổi Dần đón cơ hội thăng tiến, tuổi Hợi đề phòng hao tài

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 8/6/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: VIB ra mắt Ngân hàng cho con, đón đầu xu hướng giáo dục tài chính số

Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: VIB ra mắt Ngân hàng cho con, đón đầu xu hướng giáo dục tài chính số

Tuần qua đã có nhiều ngân hàng đã có những động thái quan trọng nhằm mở rộng dịch vụ và thu hút khách hàng với hàng loạt diễn biến đáng chú ý liên quan đến hoạt động kinh doanh: Sacombank bổ nhiệm thành viên Văn phòng Quản trị; VIB ra mắt Ngân hàng cho con; ACB, MB và SHB sắp chi gần 15.000 tỷ đồng cổ tức tiền mặt cho cổ đông...
[E-Magazine] FIFA World Cup 2026 - Khi AI áp sát đường biên

[E-Magazine] FIFA World Cup 2026 - Khi AI áp sát đường biên

Mùa hè 2026, trái bóng vẫn tròn, trọng tài vẫn có thể bị la ó, tiền đạo vẫn phải thắng thủ môn bằng một khoảnh khắc xuất thần. Chỉ khác, phía sau mỗi cú chạm bóng sẽ là một dòng dữ liệu; phía sau mỗi bước chạy là một hình hài số; phía sau tiếng reo sân cỏ là hệ thống công nghệ đang lặng lẽ đo, hiểu và kể lại trận đấu.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 7/6/2026: Tuổi Thìn đón lộc quý nhân, tuổi Mão cần thận trọng tiền bạc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 7/6/2026: Tuổi Thìn đón lộc quý nhân, tuổi Mão cần thận trọng tiền bạc

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 7/6/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Bảo hộ sở hữu trí tuệ trong kỷ nguyên số: Từ chiến lược quốc gia đến hành động của doanh nghiệp

Bảo hộ sở hữu trí tuệ trong kỷ nguyên số: Từ chiến lược quốc gia đến hành động của doanh nghiệp

Trong bối cảnh Việt Nam bước vào giai đoạn thực thi các chính sách chiến lược mới về đổi mới sáng tạo, áp lực bảo hộ tài sản trí tuệ đang ngày càng lớn trước làn sóng công nghệ và các tiêu chuẩn khắt khe từ thị trường quốc tế.
Hành trình "nhặt sao", "thắp trời" của CLB Sách THPT Chuyên Nguyễn Huệ

Hành trình "nhặt sao", "thắp trời" của CLB Sách THPT Chuyên Nguyễn Huệ

Hưởng ứng Ngày Sách và Văn hóa đọc Việt Nam 21/4, CLB BOOKERY OF CNH - CLB Sách của trường THPT chuyên Nguyễn Huệ đã tổ chức sự kiện quyên góp kết hợp từ thiện với mong muốn xây dựng một thư viện nhỏ cho các em học sinh còn nhiều khó khăn tại trường TH và THCS Hữu Liên (Lạng Sơn).
vn-web
song-gia-tri
gao-doc