Giáo trình Điều khiển kỹ thuật cảm biến và điều khiển điện thông minh (Trình độ Trung cấp) - Trường Cao đẳng Lào Cai

quay của nó chính là tốc độ quay của động cơ. Tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ. Dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ. Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay. Er = −( nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 (4.2) Trong đó: N: Số vòng quay trong 1 s.  : Vân tốc góc của rotor. n: Là tổng số dây chính trên rotor. Φ0: Là từ thông xuất phát từ cực nam châm b. Tốc độ kế dòng xoay chiều. Tốc độ kế dòng xoay chiều có ưu điểm là không có cổ góp điện và chổi than nên có tuổi thọ cao. Không có sự tăng, giảm điện áp trên chổi than. Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu. * Máy phát đồng bộ. Cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ thực chất đây là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ. Hình 4.2. Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. (a: 1 pha, b: 3 pha) Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. Stator gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của Stato có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp sức điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rotor. e = E0 sinΩt (4.3) E0= K1. , Ω=K2. 58 K1 và K2: Là các thông số đặc trưng cho máy phát. Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều. Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. Tốc độ quay có thể xác định được bằng cách đo tần số của sức điện động. Phương pháp này rất quan trọng khi khoảng cách đo lớn. Tín hiệu từ máy phát đồng bộ, có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín hiệu trên đường đi không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo (vì đo tần số). * Máy phát không đồng bộ Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ đồng bộ hai pha Hình 4.3.Cấu tạo của một máy phát Rotor là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ được quay cùng tốc độ với trục cần đo vận tốc, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây + Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi  e. + Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo, giữa hai đầu của cuộn này sẽ suất hiện sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo. em = Em cos( et + Φ) = k Ve cos( et + Φ) do Em = k Ve (4.4) Trong đó: em: sức điện động Em: Biên độ  e: Tần số góc k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Φ: độ lệch pha. Khi đo Em sẽ xác định được  59 4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử a. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Đĩa mã hóa là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật. Đĩa mã hóa sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể. Hình 4.4. Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh. Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt còn lại của của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng. Đĩa được lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay, đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho lỗ, nguồn sáng, bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng thì tín hiệu xung vuông sinh ra. Nhược điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay b. Đĩa mã hóa tương đối Đĩa mã hóa với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các đĩa mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 900 so với bộ xung thứ nhất, và một xung xác định mỗi thời gian đĩa mã hóa quay một vòng. Hình 4.5. Sơ đồ thu phát đĩa mã hóa tương đối 60 Xung A, xung B và xung điểu khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại, xung Z xác định đã quay xong một vòng. Hình 4.6. Dạng sóng ra của mã hóa 2 bộ xung Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn. n (vòng / phút) = nTN N 040 60 (4.5) c. Đĩa mã hóa tuyệt đối. Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hóa tương đối là khi mất nguồn số đếm sẽ bị mất. Như vậy khi các cơ cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo trì đến khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu. Hình 4.7. Sơ đồ thu phát mã hóa tuyệt đối 61 Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách chính xác. Đĩa mã hóa tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm, gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng. Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào. Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở ¼ vòng tròn nào. Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8, 1/16... của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng. Loại mã hóa này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng như nếu mã hóa có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu mã hóa có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn sáng và thu. Ngoài việc khắc phục nhược điểm của đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối mã hóa còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt chiều dài cơ cấu. 4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. a. Các đơn vị đo từ trường * Từ trường Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh dòng điện, hay nói chính xác là xung quanh các hạt mang điện chuyển động. Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm. * Cảm ứng từ B Về mặt gây ra lực từ, từ trường được đặc trưng bằng vectơ cảm ứng từ B. Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla). 1 T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 (4.6) * Từ thông  Từ thông gửi qua diện tích dS là đại lượng về giá trị bằng: SdBd  . (4.7) Trong đó: B  là vectơ cảm ứng từ tại 1 điểm bất kì trên diện tích ấy. Sd  là vectơ có phương của vectơ pháp tuyến n  với diện tích đang xét, chiều là chiều dương của pháp tuyến, độ lớn bằng độ lớn diện tích đó. Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông là Weber (Wb). Nếu từ thông thay đổi 1 đơn vị trong thời gian 1s, điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây là 1V: 1Wb = 1Vs * Cường độ từ trường H Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường do riêng dòng điện sinh ra và không phụ thuộc vào tính chất môi trường trong đó đặt dòng điện. 62 Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị của cường độ từ trường H là A/m b. Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ là 1 linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở của nó gia tăng dưới tác động của từ trường. Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng của cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất. Chiều của từ trường không ảnh hưởng gì đến hiệu ứng điện trở từ trong trường hợp này. Độ lớn của tín hiệu ra của cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay. Khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu ra quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, vì vậy đòi hỏi các thiết bị điện tử phức tạp để có thể thu nhận được các tín hiệu trên 1 dải điện áp rộng. Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu ra được hình thành bởi sự đổi hướng của đường cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí của bánh răng). Tín hiệu ra của cảm biến vẫn được hình thành dù đối tượng không di chuyển rất chậm. Hình 4.8. Tín hiệu tạo ra bởi cảm biến điện trở từ 4.2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 4.2.1. Nguyên tắc đo Từ công thức cơ bản R = R0 + 20 cosR (4.8) Ta có thể giữa R và  có sự liên hệ gần đúng R 2 (4.9) Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng chạm. 4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor Cấu trúc cảm biến KM110BH/21 63 Hình 4.9. Cấu trúc cảm biến KM110BH/21 Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng: KMB110BH/2130 và KMB110BH/2190 có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau + KMB110BH/2130 được chế tạo với thang đo nhỏ hơn để có độ khuếch đại lớn hơn, giải đo từ -150 đến +150. Tín hiệu ra tuyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%). + KMB110BH/2190 giải đo từ -450 đến +450, tín hiệu ra hình sin. Cả hai cảm biến đều có tín hiệu ra dạng Analog. Ngoài 2 dạng cảm biến này, còn có các thiết kế mới KM110BH/23 và KM110BH/24 Bảng 4.1. Thông số của 1 số loại cảm biến Thông số KM110BH Đơn vị 2130 2190 2270 2390 2430 2470 Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 Điện áp ra 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V Dòng điện ra 4 tới 20 mA Đặc tuyến ngõ ra Tuyến tính Hình sin Hình sin Tuyến tính Tuyến tính Hình sin Điện áp hoạt động 5 5 8,5 5 5 5 V 64 Nhiệt độ hoạt động -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390 Hình 4.10. Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390 Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190 Hình 4.11. Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190 Loại cảm biến KM110BH /2270 có thang đo từ -350 đến +350. Tín hiệu ngõ ra là dòng điện từ 4 đến 20 mA. Có thể sử dụng 1 điện trở để chuyển sang dạng điện áp. 65 Hình 4.12. Tín hiệu ra của KM110BH /2270 Hình 4.13. Sơ đồ khối của loại cảm biến KM110BH/2270 4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20 KMA10 và KMA20 là loại cảm biến đo góc (không cần đụng chạm) được thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn. Ứng dụng trong lĩnh vực tự động và công nghiệp. Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic. KMA10 cho tín hiệu ra dưới dạng dòng điện. (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270). KMA20 cho tín hiệu ra dưới dạng điện áp. KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, còn KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 thì hình sin. Bảng 4.2. Thông số của 1 số loại cảm biến Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị Thang đo 70 30 70 90 Độ Điện áp ra - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V Dòng điện ra 4 tới 20 - - - mA Đặc tuyến ngõ ra Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính Điện áp 8,5 5 5 5 V 66 hoạt động Nhiệt độ hoạt động -40 tới +100 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ 4.2.4. Máy đo góc tuyệt đối Là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặc tốc độ dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của Resolver a. Cấu tạo * Phần động: Gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2 – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 4.16.a) * Phần tĩnh: Có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90o. Đầu ra của 2 dây quấn thứ cấp ta thu được 2 tín hiệu điều biên V.sin t.sin và V.sin t.cos chứa thông tin về vị trí tuyệt đối của rotor máy đo, tương ứng vị trí tuyệt đối của rotor động cơ cần đo b. Nguyên lý đo Lấy đạo hàm góc quay ta có tốc độ quay của động cơ Độ phân giải của máy đo phụ thuộc khả năng phân giải của bộ chuyển đổi A/D mắc trong mạch đo Nhược điểm: Hệ truyền động không đồng nhất do phải tải thêm phần động của cảm biến Ứng dụng phương pháp không có cảm biến (Hình 4.14.b) Đường bao của tín hiệu ra chứa thông tin tín hiệu tuyệt đối (góc ) của rotor máy đo, có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ (Hình 4.14.c) 67 Hình 4.14. (a_ Cấu tạo, b- Sơ đồ nguyên lý, c- Hai kênh tín hiệu ra) Sơ đồ dây quấn Hình 4.15. Sơ đồ dây quấn + S1 đến S3 = V.sin t.sin + S1 đến S3 = V.sin t.sin 90O = V.sin t.sin + : Góc lệch tuyệt đối của rotor động cơ Khi bộ đo góc tuyệt đối được sử dụng như một cảm biến vị trí, thì một cuộn dây của rotor được nối tắt Điện áp cuộn rotor có dạng E = Vsin t còn điện áp ở 2 cuộn stator cũng có dạng hình sin có biên độ thay đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí rotor 68 c. Nguyên tắc hoạt động Người ta đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor của Resolver khi rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp Vị trí 0: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin Rời khỏi vị trí 0 đến vị trí 90: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cả 2 cuộn sin và cosin Đến vị trí 90: Không còn điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin chỉ còn điện áp xuất hiện trên cuộn sin Tương tự xét cho các góc lớn hơn 4.3. Các bài tập ứng dụng 4.3.1. Lắp đặt kết mạch điều khiển dùng cảm biến đo tốc độ động cơ CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Kể tên một số phương pháp cơ bản để đo tốc độ quay của rotor. Câu hỏi 2: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế một chiều. Câu hỏi 3: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế xoay chiều. Câu hỏi 4: Kể tên và trình bày các đơn vị đo từ trường. Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý đo, nguyên tắc hoạt động máy đo góc tuyệt đối. Câu hỏi 6: Trình bày các bước lắp đặt mạch điều khiển dùng cảm biến đo tốc độ động cơ 69 Bài 4: LẮP ĐẶT HỆ THỐNG KNX 4.1. Khái quát chung về hệ thống KNX 4.1.1. Lịch sử phát triển. Hình 1. Lịch sử KNX - KNX đã được thành lập vào năm 1990 với trụ sở tại Brussels (Bỉ), sau đó được gọi là “EIB Association”, do một số nhà sản xuất nổi tiếng kết hợp với nhau. - Năm 1999, sáp nhập với hai tiêu chuẩn châu Âu khác. Đó là: + BCI (Pháp) + EHS (Hà Lan) Hiệp hội các hệ thống gia đình châu Âu - Kết quả của sự hợp nhất này thì tên đã được đổi thành "KNX". - KNX có các mục tiêu sau: + Xác định một "KNX " tiêu chuẩn thực sự mở mới cho các ngôi nhà và tòa nhà thông minh + Thiết lập thương hiệu KNX làm mã thông báo cho chất lượng và các liên kết + Thiết lập KNX theo tiêu chuẩn châu Âu và trên toàn thế giới. 4.1.2. Thành phần thiết bị cốt lõi. Hình 2: Giới thiệu về công nghệ KNX - Các thiết bị trong hệ thống KNX được kết nối với nhau bởi cáp KNX. - KNX có thể điều khiển được nhiều loại đối tượng khác nhau như điều khiển thắp sáng, sưởi, rèm.. và các ứng dụng khác, thông qua nhiều phương thức điều khiển như điều khiển bằng hồng ngoại, sóng radio, máy tính, cảm biến ánh sáng độc lập, cảm biến thời gian, cảm biến thời tiết, tùy thuộc và nghề nghiệp. 4.1.3. Mô hình giao tiếp kết nối. a. Truyền thông trong KNX 70 Hình 3: Tổng quan về hệ thống KNX - Việc trao đổi dữ liệu KNX giữa các thiết bị thường được thực hiện thông qua một cáp điều khiển riêng. Dữ liệu KNX cũng có thể được gửi qua cáp 230V, tín hiệu không dây (trung bình truyền tần số vô tuyến KNX Radio) và qua Ethernet / WIFI (IP KNX IP). Thông qua các cổng thích hợp, việc truyền các bức điện KNX cũng có thể có trên các phương tiện khác, ví dụ: Cáp quang. Khi kết nối phương tiện truyền thông, các bộ ghép phương tiện thích hợp phải được sử dụng. Phương tiện đã sử dụng của thiết bị hiển thị trên nhãn sản phẩm. b. Các lĩnh vực ứng dụng cho các phương tiện truyền thông khác nhau Hình 4: Các lĩnh vực ứng dụng cho các phương tiện khác nhau - Có 4 phương tiện truyền thông khác nhau khi lắp đặt hệ thống KNX + Khi lắp đặt mới, thường sử dụng cáp xoắn KNX. Cáp KNX thường sử dụng 2 dây là đỏ và đen. Dây vàng và trắng dùng cho chế độ dự phòng. Dây thứ 5 không được sử dụng. + Khi không thêm được các dây cáp mới thì dùng mạng có sẵn, sử dụng các cáp 230v có sẵn ở hệ thống cũ. + Khi không sử dụng được dây cáp thì dùng sóng Radio + Khi dùng để tạo các liên lạc với các thiết bị di động hoặc trong các cài đặt lớn thì thường sử dụng IP (Ethernet/Wifi) c. Tương tác KNX 71 Hình 5: KNX tương tác - Các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau và các khu vực nội địa được gắn nhãn KNX và sử dụng cùng một cơ chế cấu hình có thể được liên kết để tạo thành một cài đặt chức năng nhờ tiêu chuẩn KNX của: + Điện tín: Các thiết bị thường sử dụng điện tín tiêu chuẩn để truyền, nhưng trong trường hợp đặc biệt, chúng cũng sử dụng điện tín với chiều dài mở rộng để truyền dữ liệu cồng kềnh. + Dữ liệu hữu ích trong điện tín: Đối với các chức năng khác nhau (trong số các thiết bị chuyển mạch, làm mờ, điều khiển shuaer, HVAC), các định dạng được xác định trước cần được sử dụng trong các thiết bị được chứng nhận KNX. - Trong hình 6, chức năng của từng tầng trong KNX như sau: + Phương tiện truyền dẫn tiêu chuẩn + Tiêu chuẩn hoạt động KNX ( Kết nối) + Tích hợp phần mềm lập trình ( Download) + Dùng phần mềm ETS lập trình + Lắp đặt và thiết lập các tính năng d. Ưu điểm của KNX - Tăng độ an toàn - Sử dụng năng lượng kinh tế trong quá trình vận hành các tòa nhà - Điều chỉnh đơn giản việc lắp đặt điện theo yêu cầu thay đổi của người dùng - Mức độ tiện lợi cao hơn - Cài đặt bằng chứng trong tương lai - Nhiều loại linh kiện có sẵn từ nhiều nhà sản xuất - Mạng lưới dịch vụ lớn của các nhà thầu / nhà thiết kế / nhà tích hợp có trình độ Các đối số trên có thể được đánh giá thường xuyên tùy thuộc vào loại máy khách hoặc người dùng cài đặt, ví dụ: tòa nhà chức năng so với tòa nhà dân cư, người có khả năng so với người khuyết tật, người trẻ tuổi so với người cao tuổi 72 4.1.4. Cấu hình kết nối, phân bố thiết bị. a. Cấu trúc tối thiểu của bản cài đặt KNX TP Bao gồm: Bộ nút bấm, bộ nguồn KNX, thiết bị điều khiển đóng cắt đầu ra, nguồn 230V, cáp KNX và phụ tải b. Địa chỉ trong KNX Trong KNX có 2 loại địa chỉ đó là: + Địa chỉ nhóm: Dùng để đồng bộ các chức năng của hệ thống KNX + Địa chỉ vật lý: Dùng để xác định vị trí của KNX và nó là địa chỉ duy nhất  Địa chỉ vật lý - Thứ tự địa chỉ: Vùng.Nhánh.Thiết bị 73 - Một địa chỉ riêng sẽ là duy nhất trong cài đặt KNX. Mục tiêu chính của nó là chuyển tiếp các chương trình điện tín, ứng dụng mới và dữ liệu tham số thông qua ETS đến thiết bị Bus. - Địa chỉ riêng trong điện tín có cấu trúc cố định 16 bit và có định dạng như trong hình trên. - Trong giao diện người dùng của ETS và trong tài liệu KNX, các địa chỉ riêng lẻ được thể hiện ở định dạng thập phân với hai điểm tách biệt. - Thiết bị Bus thường được chuẩn bị để chấp nhận địa chỉ cá nhân của nó bằng cách nhấn nút lập trình trên thiết bị Bus. Đèn LED lập trình được thắp sáng trong quá trình này. - Địa chỉ cá nhân được gán vĩnh viễn cho thiết bị Bus bằng ETS. ETS hiện có thể chuyển tiếp tất cả dữ liệu cần thiết (ứng dụng, cấu hình, tham số, gán địa chỉ nhóm) qua Bus đến thiết bị. - Nếu việc chạy thử bao gồm tất cả các bước tùy chỉnh và chẩn đoán đã được thực hiện, việc liên lạc (ví dụ: bật / tắt) chỉ được thực hiện thông qua địa chỉ nhóm. - Ví dụ địa chỉ 2.4.5. Tức là Vùng 2 nhánh 4 thiết bị 5 hoặc có thể hiểu thực tế đang lắp đặt cho 1 khu dân cư thì sẽ là Nhà số 2, tầng số 4, thiết bị số 5 - Lưu ý: Đối với việc lập trình KNX thì việc đầu tiên là phải xác định được địa chỉ vật lý chính xác.  Địa chỉ nhóm - Giao tiếp bình thường giữa các thiết bị trong một cài đặt được thực hiện thông qua các địa chỉ nhóm. Kỹ sư dự án xác định cho mỗi chức năng trong việc cài đặt một địa chỉ nhóm thích hợp. Anh ta có thể tự do lựa chọn cấu trúc địa chỉ nhóm. - 65535 địa chỉ nhóm có sẵn. Chỉ địa chỉ nhóm 0/0/0 được dành riêng cho cái gọi là truyền thông quảng bá (điện tín đến tất cả các thiết bị Bus có sẵn). Ví dụ về tin nhắn quảng bá là việc phân bổ một địa chỉ riêng lẻ. - Đối với mỗi dự án ETS, có thể chọn biểu diễn các địa chỉ nhóm trong: + Cấu trúc 3 cấp (nhóm chính / nhóm giữa / nhóm phụ) 74 + Cấu trúc 2 cấp (nhóm chính / nhóm phụ) + Cấu trúc được xác định tự do - Các mức chỉ phục vụ cho một tổng quan rõ ràng hơn về các chức năng / địa chỉ nhóm được tạo trong ETS. - Mức mặc định là cấu trúc 3 cấp. Cấu trúc mức có thể được đặt cho từng dự án trong thuộc tính dự án của ETS. - Ví dụ về cấu trúc 3 cấp: + 5/2/66 Phòng 424, công tắc đèn 1 + 5/2/67 Phòng 424, công tắc đèn 2 + 5/2/68 Phòng 424, chuyển tất cả các đèn cùng nhau + 14/2/69 Chuyển đổi tòa nhà chiếu sáng 4 - Cấu trúc địa chỉ nhóm miễn phí có tùy chọn cấu trúc linh hoạt nhất - Ý nghĩa của từng cấp độ cá nhân có thể được xác định tự do bởi kỹ sư dự án ETS. Tuy nhiên, một cấu trúc phổ biến như sau: + Nhóm chính: Số tầng + Nhóm giữa: Nhóm chức năng (ví dụ: 1 = chiếu sáng, 2 = sưởi ấm, 3 = tạo bóng) + Phân nhóm Chức năng của tải hoặc nhóm tải - Ví dụ: Đèn 1 R424 bật / tắt, Cửa sổ phòng ngủ mở / đóng, Phòng khách trần trên on/off, Phòng khách trần mờ, Phòng rèm 424 lên / xuống .) c. Các bước cấu hình cơ bản - Chỉ định các địa chỉ vật lý cho các thiết bị khác nhau (để nhận dạng duy nhất cảm biến hoặc bộ truyền động trong cài đặt KNX); - Chọn phần mềm ứng dụng phù hợp cho các thiết bị; 75 - Cài đặt các thông số cho mỗi thiết bị; - Gán địa chỉ nhóm để kết nối hợp lý các cảm biến và cơ cấu chấp hành và thực hiện các chức năng mong muốn. 4.2. Hướng dẫn sử dụng phần mềm ETS. 4.2.1. Chức năng, nhiệm vụ các vùng.  Tạo địa chỉ nhóm cùng với các tính năng thiết kế Về mặt thiết kế, để tối ưu việc sử dụng địa chỉ nhóm 3 lớp, cần phân loại các nhóm chức năng cơ bản như: ánh sáng, rèm, điều hòa nhiệt độ, thiết bị gia dụng. Sau đó, sắp xếp các chức năng cụ thể vào từng nhóm. Sử dụng địa chỉ nhóm trong ETS để đồng bộ hóa các chức năng  Gán địa chỉ nhóm tới các thiết bị điều khiển tương ứng Sau khi đã tạo xong địa chỉ nhóm với các tính năng như thiết kế, cần đồng bộ hóa từng địa chỉ nhóm với các đối tượng điều khiển đầu vào và đầu ra. Hãy luôn nhớ rằng, cần điều chỉnh các parameters của mỗi thiết bị phù hợp với tính năng trước khi gán địa chỉ nhóm. 76 Gán địa chỉ nhóm trong ETS 4.2.2. Xây dựng kiến trúc điều khiển.  Tạo cấu trúc tòa nhà / ngôi nhà KNX là giải pháp cho tòa nhà thông minh do đó KNX yêu cầu bắt đầu "dự án" với việc xây dựng cấu trúc tòa nhà đang thiết kế. Trong KNX, có thể tạo cấu trúc tòa nhà giống như thực tế với: Building Parts, Floor, Rooms, Corridor, ... Tạo cấu trúc tòa nhà trong mục 'Building'  Đặt các thiết bị KNX vào đúng vị trí Khi đã có cấu trúc tòa nhà, cần đặt các thiết bị điều khiển KNX vào đúng vị trí của nó trong tòa nhà. Ví dụ: Power Supply, Switching Actuator, Dimming Actuator, Shutter Actuator, ... nằm trong tủ điện (cabinet); Push Button nằm trong các room tương ứng để điều khiển. 77 Đặt các thiết bị vào đúng vị trí thiết kế trong cấu trúc tòa nhà 4.2.3. Khai báo biến điều khiển. Chọn Overview > Projects > (+). ETS sẽ khởi tạo một dự án mới để bắt đầu làm việc. Hãy đặt tên cho "dự án" - lựa chọn backbone phù hợp - chọn kiểu cho "địa chỉ nhóm" và sẵn sàng bắt tay vào việc. 78 Tạo "dự án" mới trong ETS 4.2.4. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài toán để lựa chọn thiết bị cho hệ thống được phù hợp. 79 BÀI 5. BÀI TẬP VẬN DỤNG 5.1. Điều khiển chiếu sáng 5.1.1. Yêu cầu công nghệ Lập trình cho hệ thống KNX theo yêu cầu: - Chức năng 1: Phím bấm 1 ( bấm ngắn) + [H1] [H2] [H3] [H4] On/Off - Chức năng 2: Phím bấm 2 ( bấm ngắn) + [H1] [H2] On/Off - Chức năng 3: Phím bấm 3 ( bấm ngắn) + [H3] [H4] On/Off - Chức năng 4: Phím bấm 4 ( bấm ngắn) + [H1] [H2] [H3] [H4] On - Chức năng 5: Phím bấm 5 ( bấm ngắn) + [H1] [H2] [H3] [H4] Off 5.1.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu công nghệ và liên kết mạch theo sơ đồ mạch điều khiển chiếu sáng. 5.1.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình - Kích đúp chuột trái vào ETS5 rồi đợi trong ít phút để phần mềm khởi động. - Khi xuất hiện giao diện: 80 + Bước 1: Tạo 1 New Project: Đặt tên, chọn chế độ kết nối, địa chỉ nhóm + Bước 2: Tạo ra một công trình kiến trúc và thu nhỏ đến cấp Phòng ở + Bước 3: Cài đặt các thiết bị KNX lên các phòng. Nếu chưa có Datasheet của các thiết bị KNX thì phải Import. + Bước 4: Cài đặt các địa chỉ nhóm theo các nhóm điều khiển + Bước 5: Cài đặt các tham số cho các thiết bị KNX trong trang Parameter + Bước 6: Gán các địa chỉ nhóm lên các thiết bị KNX + Bước 7: Kiểm tra kết nối USB và địa chỉ vật lý + Bước 8: Download xuống các thiết bị KNX tương ứng 5.1.4. Vận hành mạch điện Vận hành mạch điện điều khiển theo từng chức năng. 5.2. Điều khiển rèm cửa 5.2.1. Yêu cầu công nghệ - Chức năng 1: Phím bấm 1 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] On/Off - Chức năng 2: Phím bấm 2 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] On/Off - Chức năng 3: Phím bấm 3 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H3] [H4] On/Off 81 - Chức năng 4: Phím bấm 4 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] On - Chức năng 5: Phím bấm 5 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] Off 5.2.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu công nghệ và liên kết mạch theo sơ đồ mạch điều khiển rèm cửa. 5.2.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình - Kích đúp chuột trái vào ETS5 rồi đợi trong ít phút để phần mềm khởi động. - Khi xuất hiện giao diện: + Bước 1: Tạo 1 New Project: Đặt tên, chọn chế độ kết nối, địa chỉ nhóm + Bước 2: Tạo ra một công trình kiến trúc và thu nhỏ đến cấp Phòng ở + Bước 3: Cài đặt các thiết bị KNX lên các phòng. Nếu chưa có Datasheet của các thiết bị KNX thì phải Import. + Bước 4: Cài đặt các địa chỉ nhóm theo các nhóm điều khiển + Bước 5: Cài đặt các tham số cho các thiết bị KNX trong trang Parameter + Bước 6: Gán các địa chỉ nhóm lên các thiết bị KNX + Bước 7: Kiểm tra kết nối USB và địa chỉ vật lý + Bước 8: Download xuống các thiết bị KNX tương ứng 5.2.4. Vận hành mạch điện Vận hành mạch điện điều khiển theo từng chức năng. 82 5.3. Điều khiển cổng Gara 5.3.1. Yêu cầu công nghệ - Chức năng 1: Phím bấm 1 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] On/Off - Chức năng 2: Phím bấm 2 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] On/Off - Chức năng 3: Phím bấm 3 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H3] [H4] On/Off - Chức năng 4: Phím bấm 4 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] On - Chức năng 5: Phím bấm 5 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] Off 5.3.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu công nghệ và liên kết mạch theo sơ đồ mạch điều khiển cổng Gara. 5.3.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình - Kích đúp chuột trái vào ETS5 rồi đợi trong ít phút để phần mềm khởi động. - Khi xuất hiện giao diện: + Bước 1: Tạo 1 New Project: Đặt tên, chọn chế độ kết nối, địa chỉ nhóm 83 + Bước 2: Tạo ra một công trình kiến trúc và thu nhỏ đến cấp Phòng ở + Bước 3: Cài đặt các thiết bị KNX lên các phòng. Nếu chưa có Datasheet của các thiết bị KNX thì phải Import. + Bước 4: Cài đặt các địa chỉ nhóm theo các nhóm điều khiển + Bước 5: Cài đặt các tham số cho các thiết bị KNX trong trang Parameter + Bước 6: Gán các địa chỉ nhóm lên các thiết bị KNX + Bước 7: Kiểm tra kết nối USB và địa chỉ vật lý + Bước 8: Download xuống các thiết bị KNX tương ứng 5.3.4. Vận hành mạch điện Vận hành mạch điện điều khiển theo từng chức năng. 5.4. Điều khiển tổng hợp 5.4.1. Yêu cầu công nghệ - Chức năng 1: Phím bấm 1 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] On; Rèm Up - Chức năng 2: Phím bấm 2 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] [H3] [H4] Off; Rèm Down - Chức năng 3: Phím bấm 3 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H3] On sau đó tự tắt sau 2 giây - Chức năng 4: Phím bấm 4 ( không phân biệt bấm ngắn hay bấm dài) + [H1] [H2] On; Rèm Up - Chức năng 5: Phím bấm 5 + [H3] [H4] On; Rèm Down - Chức năng 6: Phím bấm 6 + Bấm ngắn: [H1] [H2] [H3] [H4] On; Rèm Step/stop (Down) + Bấm dài: [H1] [H2] [H3] [H4] Off; Rèm Down 5.4.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu công nghệ và liên kết mạch theo sơ đồ mạch điều khiển rèm cửa. 5.4.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình - Kích đúp chuột trái vào ETS5 rồi đợi trong ít phút để phần mềm khởi động. - Khi xuất hiện giao diện: 84 + Bước 1: Tạo 1 New Project: Đặt tên, chọn chế độ kết nối, địa chỉ nhóm + Bước 2: Tạo ra một công trình kiến trúc và thu nhỏ đến cấp Phòng ở + Bước 3: Cài đặt các thiết bị KNX lên các phòng. Nếu chưa có Datasheet của các thiết bị KNX thì phải Import. + Bước 4: Cài đặt các địa chỉ nhóm theo các nhóm điều khiển + Bước 5: Cài đặt các tham số cho các thiết bị KNX trong trang Parameter + Bước 6: Gán các địa chỉ nhóm lên các thiết bị KNX + Bước 7: Kiểm tra kết nối USB và địa chỉ vật lý + Bước 8: Download xuống các thiết bị KNX tương ứng 5.4.4. Vận hành mạch điện Vận hành mạch điện điều khiển theo từng chức năng. 85 BÀI 6. LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 6.1. Lý thuyết về năng lượng tái tạo 6.1.1. Khái niệm và phân loại năng lượng tái tạo a) Khái niệm Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời. Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập nông thôn. b) Phân loại năng lượng tái tạo Có nhiều dạng năng lượng tái tạo. Phần lớn các dạng năng lượng phục hồi, bằng cách này hay cách khác về căn bản đều phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời. Năng lượng từ gió và năng lượng thủy điện đều là kết quả trực tiếp của sự chênh lệch nhiệt độ nóng lên của bề mặt Trái đất, dẫn đến không khí chuyển động (gió) và lượng mưa hình thành vì bầu không khí được nâng lên (liên quan đến thủy điện). Năng lượng mặt trời là sự chuyển đổi trực tiếp từ ánh sáng sang điện năng bằng hiệu ứng quang điện (thông qua các tấm pin năng lượng mặt trời). Năng lượng sinh khối được lưu trữ ánh sáng mặt trời được chứa trong thực vật. Các dạng năng lượng tái sinh khác không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời là năng lượng địa nhiệt, là kết quả của sự phân rã phóng xạ từ các khoáng vật ở lớp vỏ Trái đất kết hợp với với nhiệt trong tâm Trái đất, và năng lượng thủy triều là sự chuyển đổi năng lượng hấp dẫn. * Năng lượng mặt trời Con người đã biết cách ứng dụng năng lượng mặt trời trong hàng ngàn năm qua để trồng trọt, sưởi ấm và làm khô thức ăn. Theo Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL) cứ một giờ chiếu sáng của Mặt trời xuống Trái đất, tất cả nguồn năng lượng này đủ để cả thế giới sử dụng trong một năm. Ngày nay, chúng ta sử dụng ánh nắng mặt trời theo nhiều cách như sưởi ấm ngôi nhà, làm nóng nước, tạo ra điện cung cấp cho các thiết bị điện – điện tử Tế bào quang điện (solar cell) chủ yếu được làm từ silicon hoặc các vật liệu khác có khả năng biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Hệ thống năng lượng mặt trời ngày nay được ứng dụng trực tiếp với các quy mô lớn nhỏ khác nhau ngay trên mái của các ngôi nhà dân, doanh nghiệp hoặc các cộng đồng hợp tác xã. Các hệ thống như thế này giúp tạo ra nguồn điện năng dồi dào nhưng không hề ảnh hưởng về mặt sinh thái. Năng lượng mặt trời chỉ cung cấp hơn 1% sản lượng điện của Hoa Kỳ, nhưng chiếm gần một phần ba công suất phát “điện mới”, chỉ đứng sau khí đốt tự nhiên (số liệu 2017). 86 Hệ thống phát điện bằng các tấm pin năng lượng mặt trời không sản sinh ra các chất gây ô nhiễm không khí và đặc biệt là không tạo ra CO2 (gây hiệu ứng nhà kính), miễn là chúng được lắp đặt đúng cách thì hầu hết các tấm pin năng lượng mặt trời ít tác động đến môi trường. * Năng lượng từ gió Sự chuyển động của khí quyển được thúc đẩy bởi sự chênh lệch về nhiệt độ ở bề mặt Trái đất, do lượng nhiệt từ bức xạ của mặt trời chiếu lên bề mặt Trái đất thay đổi liên tục. Năng lượng gió có thể được sử dụng để ứng cho hệ thống bơm nước hoặc tạo ra điện, nhưng công nghệ này đòi hỏi phải có không gian rất rộng để có thể tạo ra một lượng năng lượng đáng kể. Ngày nay, các tuabin gió được xây dựng rất cao (bằng với các tòa nhà chọc trời), với đường kính cánh gió rất lớn. Nhưng công cụ này giúp sản xuất ra một lượng điện tương đối lớn dựa vào sức gió thổi. Năng lượng từ gió được biết đến là nguồn năng lượng rẻ nhất ở một vài quốc gia trên thế giới. Có thể kể đến các tiểu bang như California, Texas, Oklahoma, Kansas và Iowa của Hoa Kỳ sở hữu những khu vực có tốc độ gió cao giúp sản xuất ra lượng điện gió dồi dào. 87 * Thủy điện Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo đang dẫn đầu ở hầu hết các quốc gia, với các nhà máy thủy điện quy mô rất lớn. Thủy điện phụ thuộc vào nước – thường là dòng nước chảy với tốc độ nhanh ở các con sông hoặc nước chảy nhanh từ trên cao xuống như thác, chúng ta sẽ tận dụng sức nước để thiết lập các tuabin máy phát điện. Tuy nhiên, trên thế giới rất nhiều nhà máy thủy điện lớn hay đập thủy điện siêu lớn không được xem là nguồn năng lượng tái tạo. Bởi vì nhưng con đập này làm chuyển hướng và giảm dòng chảy tự nhiên, làm ảnh hưởng đến quần thể động vật và con người sinh sống quanh dòng sông đó. Các nhà máy thủy điện nhỏ (công suất lắp đặt dưới 40 MW) sẽ được quản lý cẩn thận hơn và không có xu hướng tác động đến môi trường vì chúng chỉ chuyển hướng 1 phần của dòng nước chảy. * Năng lượng sinh khối Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ động thực vật và bao gồm cây trồng, gỗ thải và cây cối. Khi sinh khối bị đốt cháy, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt và có thể tạo ra điện bằng tuabin hơi nước. Sinh khối thường bị nhầm lẫn là nhiên liệu sạch, tái tạo và là nguồn thay thế xanh hơn cho nhiên liệu hóa thạch khác trong việc sản xuất điện. Tuy nhiên, khoa học gần đây cho thấy nhiều dạng sinh khối – đặc biệt là từ rừng lại tạo ra lượng khí thải CO2 cao hơn nhiêu liệu hóa thạch. Cũng có những hậu quả tiêu cực đối với sự đa dạng sinh học. Tuy nhiên, một số dạng năng lượng sinh khối có lượng thải CO2 thấp được lựa chọn trong một số trường hợp. Ví dụ, mùn cưa và phoi từ các xưởng cưa sẽ nhanh chóng phân hủy và giải phóng carbon với lượng thấp.  Nhiên liệu hydrogen và pin nhiên liệu hydro Đây cũng cũng không phải là nguồn năng lượng tái tạo hoàn toàn những rất dồi dào và rất ít ô nhiễm môi trường khi sử dụng. Hydrogen có thể được đốt làm nhiên liệu, điển hình là xe chạy bằng hơi nước. Ứng dụng nhiên liệu đốt (sạch) này có thể giảm đáng kể ô nhiễm trong các thành phố. Hydrogen còn có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu hyrdo, tương tự như pin lưu trữ để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Trong cả hai trường hợp sản xuất quan trọng của hydrogen này đòi hỏi động cơ nhiệt có sức mạnh lớn, nên “được cái này, thì 88 mất cái khác” những nhà máy sản xuất động cơ chạy bằng hơi nước sẽ xả khí thải nhiều hơn. Ngày nay, có một số phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất khí hydro chẳng hạn như năng lượng mặt trời, chúng ta có thể hy vọng vào một bức tranh tích cực hơn trong tương lai gần.  Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong tâm của Trái Đất. Nguồn năng lượng này xuất phát từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ quá trình phân rã phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. Ở một số khu vực nhất định, độ dốc địa nhiệt (tăng dần nhiệt độ theo độ sâu) sẽ đủ cao để có thể khai thác và tạo ra điện. Công nghệ để khai thác năng lượng này còn bị giới hạn ở mộ vài địa điểm trên Trái đất cũng như còn tồn tại nhiều vấn đề kỹ thuật làm hạn chế tiện ích của nó. Một dạng năng lượng địa nhiệt khác là năng lượng Trái đất, đây là kết qủa của việc lưu trữ nhiệt trên bề mặt Trái đất. Dạng năng lượng này chỉ có thể dùng để duy trì nhiệt độ thoải mái trong các tòa nhà, chứ không thể sử dụng để sản xuất điện được.  Các dạng năng lượng tái tạo khác Năng lượng từ thủy triều, đại dương và phản ứng tổng hợp hydro nóng là những dạng khác có thể được sử dụng để tạo ra điện. Những dạng năng lượng tái sinh này có những nhược điểm đáng kể vẫn đang được các nhà khoa học thảo luận để giải quyết trong cuộc khủng hoảng năng lượng sắp tới. 6.1.2. Vai trò năng lượng tái tạo 89  Các mô hình tính toán trên lý thuyết Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết người ta cũng đã cố gắng chứng minh là với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dầu là bị thất thoát công suất và nhu cầu năng lượng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu về năng lượng điện của châu Âu bằng các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi hay là bằng các tuốc bin gió được lắp đặt ngoài biển (off-shore). Sử dụng một cách triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nước nóng.  Năng lượng tái tạo và hệ sinh thái Người ta hy vọng là việc sử dụng năng lượng tái tạo sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So sánh với các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. Nhưng các ưu thế về sinh thái này có thực tế hay không thì cần phải xem xét sự cân đối về sinh thái trong từng trường hợp một. Thí dụ như khi sử dụng sinh khối phải đối chiếu giữa việc sử dụng đất, sử dụng các chất hóa học bảo vệ và làm giảm đa dạng của các loài sinh vật với sự mong muốn giảm thiểu lượng CO2. Việc đánh giá các hiệu ứng kinh tế phụ cũng còn nhiều điều không chắc chắn. Sử dụng năng lượng tái tạo rộng rãi và liên tục có thể tác động đến việc phát triển của khí hậu Trái Đất về lâu dài. Có thể hình dung đơn giản: dòng chuyển động của gió sẽ yếu đi khi đi qua các cánh đồng cánh quạt gió, nhiệt độ không khí giảm xuống tại các nhà máy điện mặt trời (do lượng bức xạ phản xạ trở lại không khí bị suy giảm).  Mâu thuẫn về lợi ích trong công nghiệp năng lượng Khác với các nước đang phát triển, những nơi mà cơ sở hạ tầng còn chậm phát triển, việc mở rộng xây dựng các nguồn năng lượng tái tạo trong các nước công nghiệp gặp nhiều khó khăn vì phải cạnh tranh với các công nghệ năng lượng thông thường. Về phía các tập đoàn năng lượng mà sự vận hành các nhà máy điện dựa trên năng lượng hóa thạch, sự tồn tại vẫn là một phần của câu hỏi. Nhưng trong mối quan hệ này cũng là câu hỏi của việc tạo việc làm mới trong lãnh vực sinh thái cũng như trong lãnh vực của các công nghệ mới. Hệ thống cung cấp điện đã ổn định tại các nước công nghiệp như Đức dựa trên một hạ tầng cơ sở tập trung với các nhà máy phát điện lớn và mạng lưới dẫn điện đường dài. Việc cung cấp điện phi tập trung ngày một tăng thông qua các thiết bị dùng năng lượng gió hay quang điện có thể sẽ thay đổi hạ tầng cơ sở này trong thời gian tới. 90  Mâu thuẫn về lợi ích trong xã hội Việc sử dụng năng lượng tái tạo có thể làm cho việc can thiệp vào môi trường trở nên cần thiết, một việc có thể trở thành bất lợi cho những người đang sống tại đó. Một thí dụ cụ thể là việc xây đập thủy điện, như trong trường hợp của đập Tam Hiệp ở Trung Quốc khoảng 2 triệu người đã phải dời chỗ ở. 6.2. Năng lượng mặt trời 6.2.1. Khái niệm và phân loại năng lượng mặt trời a) Khái niệm Năng lượng mặt trời là bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời được con người khai thác và lưu trữ và chuyển đổi thành điện năng thông qua Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời. Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận. b) Phân loại năng lượng mặt trời.  Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập (off grid solar system) - Ưu điểm: Rất phù hợp cho những khu vực khó khăn về lưới điện, chưa có điện lưới quốc gia EVN - Nhược điểm: + Chi phí đầu tư ban đầu cao (chủ yếu ở ắc quy) + Chi phí bảo dưỡng (bảo dưỡng ắc quy) lớn, tuổi thọ của hệ thống ắc qui không cao, chỉ khoảng 2-5 năm tùy loại ắc quy + Hiệu suất chuyển đổi điện thấp (chủ yếu do hệ thống ắc qui, giữa chu trình phóng và chu trình nạp bị tiêu hao rất lớn) 91  Hệ thống điện mặt trời nối lưới (on grid solar system) - Ưu điểm + Chi phí đầu tư ban đầu thấp, không phải bỏ chi phí cho hệ thống ắc quy + Phi phí bảo dưỡng thấp + Hiệu quả chuyển đổi năng lượng rất cao - Nhược điểm +Về mặt chính sách, chưa được cho phép triển khai ở Việt Nam. Do hệ thống phát điện trực tiếp vào lưới, có thể khiến quay ngược đồng hồ khi tải trong hộ gia đình thấp. Ở các nước khác, ví dụ như Thái Lan, các hộ gia đình được khuyến khích triển khai hệ thống này, tiền điện cuối tháng sẽ được khấu trừ, đôi khi nhà nước còn phải trả ngược tiền phát điện cho các hộ gia đình. Hi vọng trong tương lai gần, Việt Nam cũng sẽ cho phép triển khai thực hiện chính sách này. +Hệ thống chỉ hoạt động được khi có điện lưới, nếu mất điện lưới hệ thống cũng ngừng hoạt động  Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới có dự trữ Hệ thống kết hợp hai hệ thống trên, khắc phục nhược điểm mất điện khi không có điện lưới nhưng lại bao gồm thêm chi phí bảo dưỡng và thay thế ắc qui. 6.2.2. Vai trò năng lượng mặt trời Tạo ra các máy nước nóng sử dụng nguồn nhiệt từ mặt trời để sử dụng trong sinh hoạt, bể bơi, 92 Các máy nước nóng năng lượng mặt trời Hệ thống sưởi ấm từ năng lượng mặt trời áp dụng trong xây dựng, sử dụng các vật liệu nhiệt khối như đá, xi màng, nước,.. Hệ thống xử lý nước sử dụng nhiệt mặt trời và điện năng lượng mặt trời để khử mặn hoặc khử khuẩn Bếp năng lượng mặt trời, người ta cũng sử dụng kỹ thuật hội tụ ánh sáng mặt trời để tạo nhiệt phục vụ nấu ăn, điển hình là các bếp công nghiệp ở Ấn Độ đang phục vụ tới 35.000 suất ăn mỗi ngày. Lợi ích to lớn từ điện năng lượng mặt trời Điện năng lượng mặt trời là nguồn điện được chuyển đổi từ năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng, nên đầu tiên chúng ta có một nguồn tài nguyên có thể xem là vô tận để khai thác Ý nghĩa kinh tế của điện năng lượng mặt trời Nguồn cung cấp vô tận, chi phí sản xuất pin năng lượng mặt trời đang ngày càng giảm, sản lượng điện cung cấp đang tăng dần theo thời gian góp phần giảm giá thành tiêu thụ điện. An ninh năng lượng Điện năng lượng mặt trời trong tương lai có thể thay thế các hình thức sản xuất điện khác từ việc đốt nguyên liệu hóa thạch cũng như hạn chế thủy điện làm thay đổi hệ sinh thái Lợi ích môi trường của điện năng lượng mặt trời Điện năng lượng mặt trời được công nhận là nguồn năng lượng xanh, sạch và thân thiện với môi trường, công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời cũng dần hoàn thiện, theo thống kê năm 2014, lượng phát thải khí CO2 trung bình của điện năng lượng mặt trời là 41g/kWh so với điện than là 820g/kWh và dầu khí là 490g/kWh 93 Ngoài ra, điện năng lượng mặt trời được ứng dụng sâu rộng trong đời sống của con người từ sinh hoạt đến sản xuất, có khả năng triển khai với quy mô rất đa dạng và phù hợp với mọi đối tượng. 6.3. Năng lượng gió 6.3.1. Khái niệm Điện gió - là một lĩnh vực của ngành năng lượng, chuyên về chuyển đổi động năng của không khí trong khí quyển thành điện năng, cơ năng, nhiệt năng, hay một dạng năng lượng khác để phục vụ cho nền kinh tế. Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng các tổ hợp thiết bị, như máy phát điện bằng tua bin gió (để thu được điện năng), cối xay gió (để thu được cơ năng), cánh buồm (trong vận tải), v.v... 6.3.2. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió Năng lượng gió có được nhờ hoạt động của mặt trời, vì vậy thuộc dạng tự tái tạo, dễ tiệm cận, sạch về sinh thái và có chi phí vận hành thấp. Các trạm điện tua bin gió lớn thường được nối với hệ thống điện, các trạm nhỏ hơn thường được xây dựng và vận hành để cung cấp điện cho những vùng ở xa lưới điện. Việc phát triển điện gió thường gặp một số khó khăn mang tính kỹ thuật và kinh tế. Khi tỷ trọng của điện gió trong lưới điện tăng lên, sự không ổn định của gió sẽ làm gia tăng sự không ổn định trong cung cấp điện, đòi hỏi phải áp dụng công nghệ thông minh trong vận hành và quản lý hệ thống phân phối điện. 6.3.3. Khảo sát bộ thực hành tua bin gió 3 pha 400W Các thành phần của tuabin gió và các thông tin kỹ thuật Bắt đầu tốc độ gió 1,5m / s Tốc độ gió đánh giá 12m / s Cắt-tốc độ gió 2m / s Điện áp định mức 12V / 24V Công suất định mức 400W/430W Năng lượng tối đa 400W/430W Chất liệu cánh Sợi thủy tinh Số cánh quạt 5 Đường kính quạt 0.6m Tốc độ gió an toàn 40m / s Tổng trọng lượng Điều kiện môi trường không giới hạn 94 Nhiệt độ Tua bin gió là -20 ~ + 85 Độ ẩm Tua bin gió là ≤90% Độ cao ≤4500m ( điều kiện độ cao đánh giá là 1000m ) Tốc độ gió tối đa ≤35m / s , tốc độ gió tối đa tức thời ≤50m / s Gió chiều cao lắp đặt tuabin 3.5m ~ 13m (phụ thuộc) Công suất ra Tốc độ gió Công suất ra 2m / s 1.5W 4m / s 10W 7m / s 80W 8m / s 100W 9m / s 250W 10m / s 350W 12m / s 450W Trên 15m / s 650W 6.3.4. Vận hành bộ thực hành tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió giám sát bằng máy tính. Xây dựng và vận hành mô hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió và mặt trời trên phần mềm Matlab/Simulink 6.4. Lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời 6.4.1. Khảo sát các phần tử trên hệ thống điện năng lượng mặt trời. Sơ cấu trúc điều của khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 95 - Khối Modul quang điện (PV). - Khối dò điểm công suất tối đa. - Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC). - Khối biến đổi Một chiều - Xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia hoặc vi lưới ốc đảo (Island Microgrid). - Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra. - Khối đồng bộ hóa lưới - Khối điều khiển 6.4.2. Lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời. Quy trình lắp đặt 1 hệ thống điện mặt trời - Khảo sát hệ thống phù hợp với nhu cầu sử dụng Hệ thống điện mặt trời được chia làm 3 loại: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới: Đây là hệ thống được sử dụng phổ biến nhất, sử dụng cho các hộ gia đình, sản xuất, kinh doanh. Lượng điện được tạo từ hệ thống sẽ cung cấp cho nhu cầu sử dụng trong gia đình vào ban ngày. Lượng điện dư thừa không sử dụng đến sẽ được hòa vào lưới điện quốc gia. Hệ thống điện mặt trời độc lập: Điện sản xuất được tích trữ trong ắc quy. Hệ thống này phù hợp cho những nơi điện lưới không ổn định, hoặc muốn sử dụng phòng trường hợp cúp điện, có điện sử dụng vào ban đêm. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ (Hybrid): Đây là hệ thống thông minh, kết hợp giữa 2 hệ thống điện mặt trời trên, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện cả ban ngày và ban đêm. Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của gia đình, đội ngũ lắp đặt sẽ tư vấn hệ thống phù hợp với các thông số cụ thể. 96 Hệ thống điện năng lượng mặt trời áp mái - Lựa chọn hướng và góc phù hợp để lắp đặt hệ thống NLMT Sau khi xác định hệ thống lắp đặt là quá trình khảo sát địa điểm lắp đặt. Việc khảo sát này sẽ làm cơ sở để lên thiết kế khung giàn, hướng lắp đặtgiúp hệ thống phát huy hiệu quả cao nhất. Bằng việc tạo góc nghiêng 10-15 độ về hướng nam, giàn pin sẽ đón được ánh nắng mặt trời được nhiều nhất từ đó sản lượng điện sản xuất ra cũng ở mức cực đại. Tại sao không được bỏ qua quá trình khảo sát thực tế trước khi lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời? - Đảm bảo cho việc lắp đặt các tấm pin lắp trên mái nhà tạo độ mát mẻ, tạo thẩm mỹ cho ngồi nhà của bạn. - Đảm bảo hệ thống đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật về điện của điện lực Việt Nam (EVN). - Dễ dàng hơn trong việc thi công, lắp đặt hệ thống. - Thiết kế hệ thống đúng và đủ – phù hợp nhất với điều kiện lắp đặt thực tế. 97 Lắp đặt đúng hướng với độ nghiêng thích hợp giúp hệ thống phát huy hiệu quả tối đa Một số lưu ý khi lắp đặt hệ thống pin mặt trời trên mái nhà: - Hệ thống pin nên được thiết kế có khoảng cách giữa pin mặt trời và mái/sàn để đảm bảo thông gió tản nhiệt. - Nguồn điện mà pin mặt trời phát ra là dòng điện một chiều DC ở mức có thể gây nguy hiểm do đó trong quá trình lắp đặt cần có các trang bị bảo hộ lao động phù hợp, sử dụng găng tay và giày bảo hộ khi lắp đặt. - Không đứng lên các tấm pin có thể gây vỡ hoặc xước bề mặt kính. - Không lắp đặt các tấm pin bị ướt hoặc lắp đặt trong điều kiện mưa gió. - Pin phát ra điện 1 chiều nên cần chú ý đấu đúng cực trong quá trình lắp đặt. - Đảm bảo các mối nối phải được cách điện đúng kỹ thuật. - Hệ thống giá đỡ phải đảm báo chắc chắn trong điều kiện gió bão. Ngoài ra, nên lựa chọn giá đỡ cho hệ thống năng lượng mặt trời, dụng loại được làm từ chất liệu inox hoặc nhôm. Vì chúng rất bền có thể sử dụng lâu dài và tạo sự chắc chắn cho bộ khung. Để đảm bảo chịu được gió bão và các tác động khắc nghiệt của thời tiết. 98 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “..” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun........................................ thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên)