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
VCCA 2026: Muốn có robot “Made by Vietnam”, phải bắt đầu từ hệ sinh thái vững chắc

VCCA 2026: Muốn có robot “Made by Vietnam”, phải bắt đầu từ hệ sinh thái vững chắc

Các chuyên gia cho rằng, thách thức lớn nhất của ngành robot Việt Nam hiện nay không phải là chế tạo được một sản phẩm, mà là xây dựng hệ sinh thái đủ mạnh để kết nối công nghệ, doanh nghiệp, chính sách và thị trường.
Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: Agribank triển khai chuỗi ưu đãi “Agrigatou” cho chủ thẻ quốc tế JCB

Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: Agribank triển khai chuỗi ưu đãi “Agrigatou” cho chủ thẻ quốc tế JCB

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: VietinBank 15 năm liên tiếp góp mặt trong Forbes Global 2000; Agribank triển khai chuỗi ưu đãi “Agrigatou” cho chủ thẻ quốc tế JCB; VPBank lập kỷ lục lợi nhuận, tổng tài sản vượt 1,5 triệu tỷ đồng...
Khoa học công nghệ được kỳ vọng trở thành động lực tăng trưởng mới của Gia Lai

Khoa học công nghệ được kỳ vọng trở thành động lực tăng trưởng mới của Gia Lai

Diễn đàn "Hợp tác nghiên cứu và ứng dụng khoa học công nghệ nhằm phát triển kinh tế - xã hội trong khu vực" diễn ra chiều 17/7 trong khuôn khổ VCCA 2026 đã quy tụ các nhà quản lý, chuyên gia, doanh nghiệp trong và ngoài nước cùng tìm lời giải để đưa khoa học, công nghệ trở thành động lực phát triển mới của Gia Lai và khu vực miền Trung - Tây Nguyên.
Từ bảo vệ đến đo lường điện:  Hàn Mỹ Việt đưa thiết bị điện CHINT đến gần doanh nghiệp địa phương

Từ bảo vệ đến đo lường điện: Hàn Mỹ Việt đưa thiết bị điện CHINT đến gần doanh nghiệp địa phương

Khi nông sản được đưa vào dây chuyền sơ chế, sấy, phân loại hay đóng gói, hiệu quả sản xuất không chỉ phụ thuộc vào máy móc. Phía sau mỗi động cơ, băng tải, máy bơm hay hệ thống làm mát là một hệ thống điện cần được bảo vệ, điều khiển và giám sát ổn định. Từ nhu cầu đó, tại VCCA 2026, Công ty TNHH Kỹ thuật Tự động Hàn Mỹ Việt giới thiệu danh mục thiết bị điện hạ thế và đo lường của CHINT. Nhóm sản phẩm hướng đến các ứng dụng thực tế tại Gia Lai, từ chế biến nông sản, chăn nuôi, cấp nước, kho bảo quản đến nhà xưởng và các công trình năng lượng.
Robot trở thành "đòn bẩy" giúp ngành sản xuất ứng phó khủng hoảng nhân lực

Robot trở thành "đòn bẩy" giúp ngành sản xuất ứng phó khủng hoảng nhân lực

Tình trạng thiếu hụt lao động có tay nghề đang trở thành một trong những thách thức lớn nhất đối với ngành sản xuất toàn cầu. Trong bối cảnh đó, robot không còn được xem là công nghệ thay thế con người mà đang trở thành công cụ hỗ trợ doanh nghiệp nâng cao năng suất, cải thiện an toàn và duy trì năng lực cạnh tranh.
VCCA 2026 trao Giải Best Paper cho một giải Nhất, hai giải Nhì và một giải Ba

VCCA 2026 trao Giải Best Paper cho một giải Nhất, hai giải Nhì và một giải Ba

Bài báo cáo "Xây dựng trạm gốc RTK phục vụ định vị chính xác cho máy và robot nông nghiệp” của nhóm tác giả Nguyễn Thị Hiên, Hoàng Xuân Anh, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Văn Năng (đến từ Học viện Nông nghiệp Việt Nam và Viện Nghiên cứu máy Nông nghiệp, NARO, Nhật Bản) đã dành được giải Nhất giải thưởng Best Paper tại VCCA 2026.
Năng lượng xanh và chuyển đổi xanh: Kiến tạo động lực phát triển mới cho miền Trung - Tây Nguyên

Năng lượng xanh và chuyển đổi xanh: Kiến tạo động lực phát triển mới cho miền Trung - Tây Nguyên

Không chỉ là nơi chia sẻ những công nghệ mới nhất về năng lượng tái tạo, lưu trữ điện hay tự động hóa, sáng ngày 17/7, Diễn đàn Doanh nghiệp với chủ đề "Năng lượng tái tạo, phát triển nguồn nhân lực và chuyển đổi xanh cho khu vực miền Trung - Tây Nguyên" trong khuôn khổ VCCA 2026 còn mở ra những góc nhìn thực tiễn về lộ trình phát triển bền vững của khu vực.
Thị trường chứng khoán ngày 17/7: Thanh khoản “chạm đáy” nhiều tháng, VN Index lại lao dốc

Thị trường chứng khoán ngày 17/7: Thanh khoản “chạm đáy” nhiều tháng, VN Index lại lao dốc

VN Index mất gần 17 điểm nhưng điều khiến giới đầu tư lo ngại hơn là thanh khoản lao xuống mức thấp hiếm thấy. Dòng tiền gần như “đóng băng”, phản ánh tâm lý phòng thủ bao trùm toàn thị trường.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/7/2026: Tuổi Hợi tài lộc khởi sắc, tuổi Dần cần giữ bình tĩnh trước áp lực

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/7/2026: Tuổi Hợi tài lộc khởi sắc, tuổi Dần cần giữ bình tĩnh trước áp lực

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 18/7/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
VSCF 2026: Hợp lực chuyển đổi xanh, kiến tạo tương lai Net Zero cho ngành Xây dựng Việt Nam

VSCF 2026: Hợp lực chuyển đổi xanh, kiến tạo tương lai Net Zero cho ngành Xây dựng Việt Nam

Ngày 16/7 tại Hà Nội, Diễn đàn Phát triển bền vững ngành Xây dựng Việt Nam (Vietnam Sustainable Construction Forum - VSCF 2026) đã chính thức diễn ra với sự tham dự của lãnh đạo Bộ Xây dựng, Liên đoàn Thương mại và Công nghiệp Việt Nam (VCCI), các tổ chức quốc tế, hiệp hội ngành nghề cùng hàng trăm doanh nghiệp trong lĩnh vực xây dựng, vật liệu xây dựng và bất động sản.
vn-web
song-gia-tri