Nghiên cứu và xây dựng hệ thống mô phỏng pin quang điện

Nghiên cứu và xây dựng hệ thống mô phỏng pin quang điện Nghiên cứu và xây dựng hệ thống mô phỏng pin quang điện Nghiên cứu và xây dựng hệ thống mô phỏng pin quang điện Nghiên cứu và xây dựng hệ thống mô phỏng pin quang điện Nghiên cứu và xây dựng hệ thống mô phỏng pin quang điện

Luận Văn GVHD: TS Quách Thanh Hải Mục lục Lý lịch cá nhân vii Lời cam đoan ix Cảm tạ x Tóm tắt xi Abstract xii Mục lục vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG .xv Chương TỔNG QUAN 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY .1 1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.3 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .3 1.4 MỤC TIÊU 1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .4 1.7 Ý NGHĨA VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN .4 1.8 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .7 2.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 2.1.1 Tầm quan trọng việc sử dụng lượng tái tạo 2.1.2 Phương pháp thu nhận lượng mặt trời 2.1.3 Tiềm phát triển hệ thống thu lượng mặt trời giới Việt Nam 2.2 TÌM HIỂU VỀ PIN QUANG ĐIỆN (PV) 2.2.1 Giới thiệu .9 2.2.2 Cấu Tạo Và Nguyên Lý Pin Quang Điện 10 2.2.3 Mô hình và phương trình toán học pin PV 12 Trang vii Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải 2.2.4 Đặc Tính Làm Việc Và Ứng Dụng Của PV 14 2.2.5 Mơ Hình Hóa PV .16 2.3 CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI DC – DC .17 2.3.1 Mạch tăng áp (Boost) 17 2.3.2 Mạch giảm áp (Buck) 20 2.3.3 Mạch Buck – Boost 22 2.4 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P 24 2.4.1 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR 24 2.4.2 Vi điều khiển ATmega328P 24 2.5 GIỚI THIỆU VỀ KIT ARDUINO UNO 27 2.5.1 Sơ lược lịch sử Arduino 27 2.5.2 Chi tiết Arduino Uno 28 2.5.3 Tập lệnh cho Arduino 29 2.6 TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ DÙNG ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 47 2.6.1 IC TLP250 47 2.6.2 Cảm biến dòng điện ACS712 48 2.7 Phương pháp điều chế độ rộng xung .49 2.8 Bộ điều khiển PID 51 2.8.1 Bộ điều khiển PID liên tục 51 2.8.2 Bộ điều khiển PID số 52 2.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53 Chương XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG 54 3.1 TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ 54 3.1.1 Kỹ thuật .54 3.1.2 Kinh tế .54 3.2 XÂY DỰNG PHẦN CỨNG 55 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 55 3.2.2 Khối nguồn 56 3.2.3 Khối điều khiển 57 HVTH: Lâm Quang Thái Trang viii Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải 3.2.4 Khối chuyển đổi DC-DC 58 3.2.5 Khối đo lường 60 3.2.6 Máy tính 60 3.2.7 Sơ đồ mạch nguyên lý .61 3.3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM .62 3.3.1 Lưu đồ giải thuật tìm RS RP 62 3.3.2 Phương án điều khiển 63 3.3.3 Chương trình điều khiển 65 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 66 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 67 4.1 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM .67 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 69 4.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 73 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 95 HVTH: Lâm Quang Thái Trang ix Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT D: Duty Cycle DC-DC: Direct Current - Direct Current MPP: Maximum Power Point MPPT: Maximum Power Point Tracker PI : Proportional-Integral PV: Photovoltaics PWM : Pulse Width Modulation STC : Standard Test Conditions UART : Universal Asynchronous Receiver/Transmitter HVTH: Lâm Quang Thái Trang x Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Một số nguồn lượng tái tạo phổ biến Hình 2.2 Nhà máy điện mặt trời Hình 2.3 Các pin quang điện Hình 2.4 Nhà máy quang điện Topaz Hình 2.5 Hình ảnh tế bào quang điện thơng dụng làm từ tinh thể silicon 10 Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 11 Hình 2.7 Các loại pin quang điện 12 Hình 2.8 Đặc tính I-V pin quang điện 15 Hình 2.9 Đặc tính P-V pin quang điện 16 Hình 2.10 Sơ đồ mạch Boost DC 17 Hình 2.11 Dạng sóng điện áp dòng điện mạch Boost 18 Hình 2.12 Trạng thái ON mạch Boost 19 Hình 2.13 Trạng thái OFF mạch Boost 19 Hình 2.14 Dạng sóng điện áp dòng điện mạch Buck 20 Hình 2.15 Trạng thái ON mạch Buck 21 Hình 2.16 Trạng thái OFF mạch Buck 21 Hình 2.18 Sơ đồ mạch Buck - Boost DC .22 Hình 2.19 Trạng thái ON mạch Buck – Boost .22 Hình 2.20 Trạng thái OFF mạch Buck – Boost .23 Hình 2.21 Vi điều khiển ATmega328P 24 Hình 2.22 Sơ đồ khối ATmega328P 26 Hình 2.23 Sơ đồ chân ATmega328P .26 Hình 2.24 Một số Kit Arduino phổ biến 28 Hình 2.25 Kit Arduino UNO 29 Hình 2.26 IC TLP250 48 Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc IC TLP250 48 Hình 2.28 Cảm biến dòng điện ACS712 49 HVTH: Lâm Quang Thái Trang xi Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải Hình 2.29 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 49 Hình 2.30 Tạo xung vng phương pháp so sánh 50 Hình 2.31 Điều khiển sử dụng điều khiển PID 51 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 55 Hình 3.2 Khối nguồn 15V .56 Hình 3.3 Khối nguồn 9V hệ thống 57 Hình 3.4 Khối nguồn 110V hệ thống 57 Hình 3.5 Khối vi điều khiển hệ thống .58 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch buck vẽ phần mềm Psim 58 Hình 3.7 Khối nguồn động lực hệ thống 59 Hình 3.8 Khối đo lường hệ thống 60 Hình 3.9 Giao diện phần mềm máy tính .61 Hình 3.10 Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển 60 Hình 3.11 Sơ đồ ngun lí mạch động lực 61 Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật tìm RS RP 62 Hình 3.13 Đặc tính I-V pin quang điện 64 Hình 3.14 Đường cong I-V tuyến tính 65 Hình 4.1 Mơ hình thí nghiệm 67 Hình 4.2 Mạch điều khiển sau thi công 68 Hình 4.3 Mạch động lực sau thi cơng .68 Hình 4.4 Tải điện trở đo giá trị dòng điện, điện áp 69 Hình 4.5 Dạng sóng điện áp 70 Hình 4.6 Dạng sóng dòng điện .71 Hình 4.7 Đặc tính I-V pin quang điện MSX60 dạng đa tinh thể (polycrystalline) .72 Hình 4.8 Đặc tính P-V pin quang điện MSX60 dạng đa tinh thể (polycrystalline) .72 Hình 4.9 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 1000 W/m2 .74 Hình 4.10 Đặc tính I-V P-V T = 30oC G = 1000 W/m2 75 HVTH: Lâm Quang Thái Trang xii Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải Hình 4.11 Đặc tính I-V P-V T = 50oC G = 1000 W/m2 75 Hình 4.12 Đặc tính I-V P-V T = 60oC G = 1000 W/m2 76 Hình 4.13 Đặc tính I-V P-V T = 70oC G = 1000 W/m2 76 Hình 4.14 Đặc tính I-V P-V T = 80oC G = 1000 W/m2 77 Hình 4.15 Đặc tính I-V P-V T = 90oC G = 1000 W/m2 77 Hình 4.16 Đặc tính I-V P-V T = 100oC G = 1000 W/m2 78 Hình 4.17 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 100 W/m2 .78 Hình 4.18 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 200 W/m2 .79 Hình 4.19 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 300 W/m2 .79 Hình 4.20 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 400 W/m2 .80 Hình 4.21 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 500 W/m2 .80 Hình 4.22 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 600 W/m2 .81 Hình 4.23 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 700 W/m2 .81 Hình 4.24 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 800 W/m2 .82 Hình 4.25 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 900 W/m2 .82 Hình 4.26 Đặc tính I-V P-V T = 25oC G = 1000 W/m2 83 Hình 4.27 Đặc tính I-V P-V T = 30oC G = 700 W/m2 .83 Hình 4.28 Đặc tính I-V P-V T = 50oC G = 1000 W/m2 84 Hình 4.29 Đặc tính I-V P-V T = 70oC G = 800 W/m2 .84 Hình 4.30 Kết thực nghiệm hệ thống mơ đặc tính I-V P-V pin MSX60 điều kiện tiêu chuẩn (G = 1000 W/m2, T = 25oC) 85 Hình 4.31 Giá trị điện áp, dòng điện công suất đầu thực nghiệm 85 Hình 4.32 Kết thực nghiệm hệ thống mơ đặc tính I-V P-V pin MSX60 điều kiện tiêu chuẩn (G = 1000 W/m2, T = 25oC) công suất lớn 86 Hình 4.33 Giá trị điện áp, dòng điện công suất đầu thực nghiệm công suất lớn 86 Hình 4.34 Kết thực nghiệm hệ thống mơ đặc tính I-V P-V pin MSX60 điều kiện tiêu chuẩn (G = 1000 W/m2, T = 25oC) 87 HVTH: Lâm Quang Thái Trang xiii Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải Hình 4.35 Giá trị điện áp, dòng điện công suất đầu thực nghiệm 87 HVTH: Lâm Quang Thái Trang xiv Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.2 Mô tả chân vi điều khiển 26 Bảng 2.3 Các thông số Arduino UNO 29 Bảng 2.5 Các toán tử logic 37 Bảng 2.6 Các toán tử so sánh 38 Bảng 2.4 Bảng thông số kĩ thuật 49 Bảng 3.1 So sánh ưu điểm nhược điểm loại pin mặt trời .54 Bảng 3.2 Bảng liệt kê thiết bị xây dựng hệ thống 54 Bảng 3.3 Bảng giá loại pin lượng mặt trời 55 Bảng 3.4 Các thông số mạch động lực 59 Bảng 4.1 Bảng thông số pin MSX60 .73 HVTH: Lâm Quang Thái Trang xv Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải Chương TỔNG QUAN 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY Nhu cầu sử dụng hệ thống quang điện ngày càng tăng và việc lắp đặt ngày càng mở rộng khắp giới cải tiến công nghệ, hỗ trợ phủ, v.v Tuy nhiên, cịn vấn đề cần khắc phục hiệu suất mạng lưới điện bị che phần [1] hoặc độ tin cậy hệ thống điện PV [2] Ngoài ra, hệ thống theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) có vai trị quan trọng hệ điện mặt trời cần phải thử nghiệm thuật toán MPPT để đạt hiệu suất cao [3], [4] Vì vậy, việc thử nghiệm pin lượng mặt trời quan trọng để nghiên cứu vấn đề Các đặc tính đầu mơ đun PV phụ thuộc vào xạ mặt trời, nhiệt độ và điện áp tế bào quang điện Các mơ hình tốn học PV sử dụng mơ máy tính xây dựng nghiên cứu nhiều và ngoài nước [5,6] Hầu tất mơ hình PV phát triển mơ tả đặc tính đầu chủ yếu bị ảnh hưởng xạ mặt trời, nhiệt độ hoạt động PV và điện áp tải Để giải vấn đề mơ hình hóa pin mặt trời, phải có kiến thức xác thông số pin PV cho trình hình thành, kiểm sốt chất lượng và đánh giá việc thực chúng Để mơ đặc tính pin quang điện có nhiều nghiên cứu đề xuất Sử dụng matlab/simulink để xây dựng mô hình pin lượng mặt trời quang điện [5] trình bày phương pháp phát triển mơ hình mơ pin lượng mặt trời quang điện (PV) dựa khối thư viện đồ họa sẵn có Simulink mơ đặc điểm tính chất ngõ I-V (dịng điện – điện áp) P-V (cơng suất – điện áp) pin PV Bên cạnh đó, mơ hình cho phép nhà nghiên cứu kiểm tra ảnh hưởng xạ mặt trời nhiệt độ hoạt động pin PV đến dòng điện tạo và điểm công suất làm việc mô đun PV thương mại Hay đề xuất mô quang điện (PV) dựa mạch đơn giản để thử Trang Luận văn if (Serial.available()) GVHD: TS Quách Thanh Hải { tam = Serial.read(); if (tam == Data_On){ Trans_Start = true; } else if (tam == Data_Off){ Trans_Start = false; } else if (tam == PV_Off){ PV_Start = false; } else if (tam == PV_On){ PV_Start = true; } else if (Trans_Start == true){ // Diem if (tam == 1){ Ipv[0] = Serial.parseFloat(); //Iscn Vpv[0] = 0; //V = } // Diem HVTH: Lâm Quang Thái Trang 102 Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải if (tam == 2){ Vpv[1] = Serial.parseFloat(); //V1 (-) } if (tam == 3){ Ipv[1] = Serial.parseFloat(); // I1 } //Diem if (tam == 4){ Vpv[2] = Serial.parseFloat(); // Vmax } if (tam == 5){ Ipv[2] = Serial.parseFloat(); // Imax } //Diem if (tam == 6){ Vpv[3] = Serial.parseFloat(); //V2 } if (tam == 7){ Ipv[3] = Serial.parseFloat(); //I2 } //Diem if (tam == 8){ Vpv[4] = Serial.parseFloat(); HVTH: Lâm Quang Thái //Vocn Trang 103 Luận văn GVHD: TS Quách Thanh Hải Ipv[4] = 0; } } } } //Mo phong PV void PV_Simulation() { //On Ap for (i = 0; i < 5; i++) { if (Vo < Vpv[i]) { break;} } if (Vo >= Vpv[4]) Vref = Vpv[4] - 3; else if (Io >= Ipv[0]) Vref = 3; else + Vref = Vpv[i] (Ipv[i] - Io)*(Vpv[i - 1] Vpv[i])/(Ipv[i] - Ipv[i - 1]); myPID.Compute(); //Serial1.println(i); //Serial1.println(Vref); } void setup() { Serial.begin(9600,SERIAL_8N1); HVTH: Lâm Quang Thái Trang 104 - Luận văn //Serial1.begin(9600); GVHD: TS Quách Thanh Hải R = 16000/fs; Dmin = 0.2*R; TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; //reset ghi 1A, 1B DDRB |= (1