T2014-17 (Nguyen Nhan Bon)

Microsoft Word baibao T2014 17 new GIẢI THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG ALGORITHM FOR ENHACEMENT EFFICIENCY OF SOLAR CELL AND APPLICATION IN LIFE Nguyễn Nhân Bổn 1 Võ Nguyên Ngân 2,N[.]

GIẢI THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG ALGORITHM FOR ENHACEMENT EFFICIENCY OF SOLAR CELL AND APPLICATION IN LIFE Nguyễn Nhân Bổn Võ Nguyên Ngân 2,Nguyễn Thế Vinh3 nnbon2009@gmail.com 1,2,3 Khoa Điện-Điện Tử, UTE-HCM TÓM TẮT Năng lượng mặt trời nguồn lượng vô tận, mục tiêu đề tài nghiên cứu tận thu tối đa nguồn lượng Nước ta có vị trí địa lý gần vùng xích đạo nên lượng Mặt Trời chiếu xuống ngày lớn, cần phát triển hệ thống thu nhận nguồn lượng “vĩnh cữu” Nghiên cứu giải thuật nâng cao hiệu suất pin mặt trời đề tài cần thiết giải mục tiêu đặt ta cần biện pháp như: để đảm bảo hiệu suất hấp thụ cao ta cần hệ thống “ hướng sáng” xoay pin theo hướng mặt trời Để đạt hiệu suất cực đại pin ta cần dùng hệ thống “dị tìm điểm cực đại” để tận thu hiệu suất pin lớn Đối với hệ thống lượng mặt trời có cơng suất lớn,thơng thường chuyển đổi thành nguồn AC hòa vào lưới quốc gia, khơng cần hệ thống dự trữ lượng để tiết kiệm chi phí, hệ thống mặt trời đạt cơng suất đủ hịa vào lưới chi phí đầu tư ban đầu lớn Nghiên cứu ứng dụng hộ gia đình cơng suất nhỏ 1kW, giải vấn đề sau: Giải thuật điều khiển dị tìm điểm cơng suất cực đại Pin mặt trời; Hệ thống xoay panel theo hướng ánh sáng; Bộ converter chuyển đổi DC/DC mạch sạc giai đoạn bảo vệ Ắc-quy tránh dòng, áp, đấu ngược cực Các kết trình bày báo Từ khóa: Pin mặt trời, hệ thống theo dõi hướng nắng, Vi điều khiển, động chiều ABSTRACT Energy crisis is the most important issue in today’s world Conventional energy resources are not only limited but also the prime culprit for environmental pollution Renewable energy resources are getting priorities in the whole world to lessen the dependency on conventional resources Solar energy is rapidly gaining the focus as an important means of expanding renewable energy uses Solar cells those convert sun’s energy into electrical energy are costly and inefficient Different mechanisms are applied to increase the efficiency of the solar cell to reduce the cost Solar tracking system is the most appropriate technology to enhance the efficiency of the solar cells by tracking the sun A microcontroller based design methodology of an automatic solar tracker is presented in this paper Light dependent resistors are used as the sensors of the solar tracker The designed tracker has precise control mechanism which will provide three ways of controlling system A small prototype of solar tracking system is also constructed to implement the design methodology presented here Keywords: Photovoltaic cell, solar tracking, photo resistor, microcontroller, DC motor I GIỚI THIỆU Năng lượng nguồn sống quốc gia Do nhu cầu sử dụng lượng ngày cao.Năng lượng nhu cầu thiết yếu sống.Năng lượng từ than,dầu hỏa…ngày cạn kiệt khan hiếm.Thực tế,có nguồn lượng khác thay hứa hẹn tiềm cung cấp lớn lượng hạt nhân.Nhưng việc sử dụng nguồn lượng vấn đề tranh cãi an tồn ảnh hưởng đến môi trường sống, gần vụ sóng thần Nhật Bản phá hủy nhà máy điện hạt nhân gây thiệt hai người kinh tế Vì lượng tái tạo lựa chọn tốt nguồn lượng xanh thân thiện với môi trường.Nguồn lượng tái tạo (năng lượng mặt trời) sử dụng nơi chưa có lưới điện cung cấp điện cho vùng xâu,vùng xa,hải đảo…Năng lượng mặt trời có sẵn tự nhiên vơ tận khơng sợ bị cạn kiệt nguồn lượng than đá ,dầu mỏ.Những lợi ích to lớn mà nguồn lượng mặt trời đem lại giúp cho người ứng dụng vào thực tiễn ngày rộng rãi.Nhưng chi phí đầu tư ban đầu cịn lớn ràn cản mà lượng mặt trời chưa thực ý nước ta,nhưng năm gần hỗ trợ tổ chưc nước quan nhà nước ta lượng mặt trời ngày sử dụng nhiều Nghiên cứu nhằm mục đích phục vụ cho việc sử dụng nguồn lượng mặt trời hộ gia đình.Trong đó,việc thực hiệnbiến đổi lượng điện quang thành lượng chiều,đặc biệt thiết kế hệ thống xoay pin mặt trời theo hướng nắng, phương pháp dị điểm cơng suất cực đại quay quanh pin mặt trời phương pháp sạc dự trữ lượng để thuận tiện cho việc sử dụng, lưu trữ Trong báo trình bày Trình bày phương pháp dựa vi điều khiển để lập trình dễ dàng đơn giản Hệ thống tự động quay pin mặt trời theo hướng sáng trình bày Giải thuật tự động nâng cao hiệu suất pin theo hướng nắng chứng minh tính thực tế ứng dụng cao giải thuật đề xuất II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN MẶT TRỜI Giải thuật P&O hay gọi phương pháp “leo đồi” phổ biến sử dụng rộng rãi thực tế giải thuật tương đối đơn giản dễ thực thi Hình thể mối quan hệ điện áp công suất ngõ ra( đặc tính P-V) pin quang điện ứng với xạ nhiệt độ không đổi, với giả thiết ban đầu điểm công suất pin cách xa điểm có cơng suất cực đại Theo giải thuật này,ban đầu điện áp tăng lượng nhỏ quan sát thay đổi công suất Nếu công suất tăng thêm tức điểm công suất tiến gần đến điểm công suất cực đại Lúc này, ta tiếp tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại, thấy công suất bắt đầu giảm, tức điểm công suất vọt lố qua khỏi điểm công suất cực đại, ta phải giảm điện áp để dịch chuyển điểm công suất theo hướng ngược lại trở điểm cơng suất cực đại Hình 1: Đặc tính cơng suất-điện áp pin III KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI MPPT (Maximum Power Point Tracker) phương pháp dị tìm điểm làm việc có cơng suất tối ưu hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng DC/DC Phương pháp MPPT sử dụng phổ biến tronghệ thống pin mặt trời làm việc độc lập dần áp dụng hệ quang điện làm việc với lưới MPPT chất thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn công suất khỏi nguồn pin mặt trời điều kiện làm việc thay đổi, từ nâng cao hiệu suất làm việc hệ MPPT ghép nối với biến đổi DC/DC điều khiển Hình 2:Bộ điều khiển MPPT hệ thống pin mặt trời Bộ điều khiển MPPT điều khiển tương tự truyền thống Tuy nhiên, việc sử dụng điều khiển số ngày phát triển có nhiều ưu điểm điều khiển tương tự Thứ là, điều khiển số lập trình khả thực thuật toán cao cấp dễ dàng Nó dễ dàng mã hố biểu thức, ví dụ x = yxz, thiết kế mạch điện tương tự để thực biểu thức Nhờ lý mà việc hiệu chỉnh điều khiển số thực dễ dàng nhiều so với điều khiển tương tự Mặt khác điều khiển số không bị ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ thời gian hoạt động rời rạc, bên thành phần tuyến tính Vì vậy, điều khiển số có trạng thái ổn định lâu Khơng có vậy, điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai phận khác thực thuật tốn phần mềm, nơi mà thơng số giữ ổn định thay đổi Bộ điều khiển loại cho phép giảm số lượng thành phần dùng chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác Nhiều điều khiển số trang bị thêm biến đổi A/D nhiều lần nguồn tạo xung PWM, điều khiển nhiều thiết bị với điều khiển đơn lẻ.Vì ưu điểm điều khiển số mà luận án chọn phương pháp điều khiển số cho MPPT Việc thiết kế mô MPPT thực với vi xử lý 16F887 thuật toán thực IV HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI Động cấu truyền động phải đảm bảo xoay panel theo hướng mặt trời nhờ vào tín hiệu từ cảm biến ánh sáng Toàn hệ thống đặt ngồi trời, nơi có nhiều nắng, gió, chịu nhiều ảnh hưởng thời tiết vật liệu chế tạo cần phải chống chịu với điều kiện khắc nghiệt đó, bền bỉ theo thời gian Để nâng cao hiệu suất pin cần có hệ thống điều khiển để xác định hướng chiếu ánh sáng mặt trời, từ điều khiển cho mặt phẳng pin hướng phía vng góc ánh sáng Mạch cảm biến hướng chiếu sáng Để điều khiển động xoay panel ln theo hướng mặt trời ta cần phải có cảm biến phát góc có cường độ chiếu sáng mạnh thời điểm ngày Hình 3:Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hướng chiếu sáng Mạch thiết kế dựa nguyên lý so sánh cường độ ánh sáng hai cảm biến LDR (quang trở) đặt theo hình chữ V Khi góc chiếu sáng lệch so với phương vng góc, LDR có điện trở khác LDR cịn lại, mạch so sánh cấp tín hiệu điều khiển động xoay theo hướng phù hợp LDR có điện trở cân nhau, mạch cảm biến luôn giữ cho panel trạng thái nằm vng góc với hướng chiếu sáng 2.Động cấu truyền động Động có nhiệm vụ dẫn động cho panel mặt trời xoay quanh trục thông qua cấu truyền động Như biết, trái đất xoay quanh trục với tốc độ chậm (1vòng/ngày) động xoay với tốc độ nhanh gấp nhiều lần, khơng thể dùng động dẫn động trực tiếp cho panel mà phải thông qua cấu truyền động giảm tốc độ động xuống nhiều lần Thế nhưng, dù dùng cấu truyền động giảm tốc khơng có hệ số giảm tốc đủ lớn để quay vịng/ngày Vì vậy, động phải hoạt động ngắn hạn, sau khoảng thời gian động xoay góc nhờ vào tín hiệu điều khiển từ cảm biến hướng chiếu sáng Động dùng cho mơ hình động điện DC 12V, phù hợp với điện áp từ Ắc-quy điện áp từ panel mặt trời Động có tốc độ quay vào khoảng 3000rpm, để giảm tốc sơ cấp cho động với hệ số giảm tốc 120 lần Với vận tốc quay qua giảm tốc sơ cấp giá trị lớn, mơ hình cần hệ thống truyền động lên panel có tốc độ nhỏ momen lớn Vì vậy, cần phải có thêm cấu bánh giảm tốc tăng momen lên Sau qua toàn cấu giảm tốc, vận tốc quay panel giảm đáng kể, kết hợp với điều khiển từ cảm biến, panel xoay quanh trục theo hướng chiếu sáng thời điểm 3.Hệ thống dị tìm điểm cơng suất cực đại Theo thuật toán P&O, điện áp liên tục thay đổi (tăng giảm) lượng nhỏ sau quan sát dịch chuyển điểm công suất Nếu điểm công suất dịch chuyển theo hướng khả quan thuật tốn tiếp tục tăng (hoặc giảm) áp điểm công suất đạt cực đại Trong thiết kế hệ thống dị tìm cơng suất cực đại nghiên cứu này, tính chất tải Ắc-quy có áp ổn định mức thấp điểm cực đại công suất pin mặt trời nên mạch điện thiết kế gồm mạch giảm áp (Mạch Buck) để áp phù hợp với Ắc-quy Theo định luật bảo tồn lượng, cơng suất ngõ vào ngõ tương đương nhau, bỏ qua tổn thất mạch Buck Sau qua hệ thống mạch Buck, áp ngõ có giá trị thấp so với áp ngõ vào, đồng thời nâng cao dòng điện giúp sạc Ắc-quy nhanh đầy Hình 4:Sơ đồ ngun lý mạch dị tìm cơng suất cực đại Hệ thống dị tìm điểm cực đại nhờ vào Vi điều khiển 16F887 xử lý tín hiệu từ Analog vi điều khiển đo áp PV ACCU Vi điều khiển liên tục thay đổi chu kỳ độ rộng xung PWM1(CCP1 vi điều khiển) kích Mosfet để thay đổi hệ số giảm áp, q trình thay đổi vi điều khiển ln cập nhật giá trị dòng điện đưa từ Analog chọn chu kỳ xung kích cho dịng sạc Ắc-quy lớn Ở hệ thống này, lượng lưu trữ Ắc-quy cơng suất đạt cực đại dòng sạc lớn (do điện áp Ắc-quy ổn định) 4.Mạch sạc Ắc-quy giai đoạn Các trình phương pháp sạc giai đoạn: Đầu tiên nạp Ắc-quy với dịng khơng đổi đạt đến điện áp 14,4V (giai đoạn 1) Sau giữ nguyên giá trị điện áp này, dịng điện giảm dần giá trị ¼ giá trị cực đại (giai đoạn 2) Lúc Ắc-quy nạp khoảng 90% dung lượng Đến giai đoạn tiếp theo, điện áp nạp tự động giảm xuống giữ điện áp 13,8V (giai đoạn 3) Khi đó, Ắc-quy từ từ khơi phục 10% dung lượng cịn lại Như tồn dung lượng Ắc-quy khơi phục nhanh chóng an tồn Hình 5:Sơ đồ ngun lý mạch sạc Ắc-quy Với thiết kế mạch điện ta cần linh kiện như:IRF4905 với ưu điểm chụi dòng lên 74A giúp cho mạch hoạt động ổn định khơng bị nóng.Ngồi cịn có số linh kiện thông dụng khác cuộn dây, điện trở, tụ điện, diode, LED, … 5.Mạch ổn áp xung Mơ hình pin lượng mặt trời thiết kế với công suất nhỏ phù hợp với thiết bị tiêu thụ lượng thấp, đặc biệt thiết bị di động, dùng cho trường hợp chiếu sáng khẩn cấp, thay cho điện lưới cúp điện khu vực khơng có điện lưới Với tiêu chí nêu trên, hệ thống cần cung cấp nguồn điện ổn định phù hợp với thiết bị tiêu thụ 5VDC, 12VCD, 220VAC Với thiết bị đèn chiếu sáng thường dùng nguồn 12VDC lấy trực tiếp từ Ắc-quy, thiết bị dùng nguồn 220VAC dùng nguồn 12VDC thông qua Inverter Với thiết bị tiêu thụ điện áp thấp thiết bị di động, loại đèn sạc công suất nhỏ,… thường sử dụng nguồn điện 5VDC từ cổng nguồn USB Nguồn 5VDC tạo từ nhiều cách khác ổn áp tuyến tính dùng LM7805 hiệu suất thấp, dịng điện tải tối đa 1A nóng gây lãng phí lớn Đối với phương pháp ổn áp xung, hiệu suất đẩy lên cao nóng hoạt động Dịng điện tải lớn chọn linh kiện phù hợp Ví dụ IC LM2576 tải dịng liên tục 3A theo phương pháp ổn áp xung Hình 6:Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp xung Khi hoạt động giảm áp theo kiểu PWM, mạch điện tạo tần số đóng cắt cao, cần dùng linh kiện phù hợp Diode schottky, cuộn cảm có khả chịu dịng tải có giá trị điện cảm phù hợp Hình 7:Giản đồ xung PWM Mạch hiển thị áp dòng Đối với hầu hết thiết bị điện, đặc biệt thiết bị lưu trữ, cung cấp lượng cần cấu thị giá trị điện áp, dịng điện, cơng suất… cấu hiển thị giúp cho người vận hành dể dàng việc giám sát, vận hành thiết bị Với mơ hình cung cấp lượng từ panel mặt trời, có mặt cấu hiển thị điều cần thiết để người vận hành giám sát mức lượng lưu trữ trình hệ thống hoạt động Các cấu thị có nhiều dạng cấu hiển thị học (đồng hồ kim), cấu hiển thị điện tử (đồng hồ số)… số đó, cấu hiển thị điện tử nhanh xác cấu khác Vì vậy, mơ hình tích hợp cấu hiển thị số đại lượng như: Áp ngõ vào, áp ngõ ra, dòng ngõ vào, dịng ngõ ra… Để tiết kiệm chi phí mà khơng làm ảnh hưởng đến xác cấu hiển thị, em có nghiên cứu, thiết kế thi công cấu thị số dùng hình LCD16x2(xem chi tiết phụ lục C) hiển thị hình, hiệu chỉnh để đo đại lượng áp, dịng theo xác VOM số thơng dụng Hình 8:Sơ đồ ngun lý mạch hiển thị LCD Lưu đồ giải thuật cho hệ thống Hệ thống sử dụng hệ thống điều khiển tự động nhờ vào cảm biến, vào chương trình, thuật tốn… để tự động xoay theo hướng ánh sáng dị tìm điểm cơng suất cực đại Ta có lưu đồ tổng quan tồn hệ thống sau: Hình 9:Lưu đồ thuật tốn điều khiển Nhánh dị điểm cơng suất cực đại thuật tốn Bước 1:Kiểm tra hệ thống đạt cơng suất cực đại chưa? -Nếu hệ thống chưa đạt cực đại dị tìm điểm cơng suất cực đại thuật tốn -Nếu hệ thống đạt điểm công suất cực đại qua bước Bước 2:Kiểm tra Ắc-quy nạp đầy lượng chưa? -Nếu khơng làm gi -Nếu sai sạc điện cho Ắc-quy.Sạc điện cho Ắc-quy kiểm tra điều kiện sau Bước 2.1:Kiểm tra có cần nguồn DC 12V khơng ? -Nếu khơng cần nguồn 12VDC khơng cấp nguồn -Nếu cần cấp nguồn 12VDC cho tải Bước 2.2:Kiểm tra đại lượng điện? -Nếu không cần theo dõi đại lượng điện khơng cần cấp nguồn -Nếu cần theo dõi hiển thị thơng số hệ thống Bước 2.3:kiểm tra có cần nguồn DC 5V khơng? -Nếu khơng cần khơng cấp nguồn 5VDC -Nếu cần cấp nguồn DC 5V cho tải Nhánh kiểm tra pin mặt trời có hướng chiếu sáng không -Đầu tiêu kiểm tra cảm biến có hướng chiếu sáng khơng? +Nếu động không cần xoay pin mặt trời theo hướng ánh sáng +Nếu cảm biến không hướng chiếu sáng phải so sánh quang trở coi có giá điện trở lớn gởi tín hiệu điều khiển động xoay pin theo hướng có ánh sáng nhiều V KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Mơ hình hoạt động tốt với yêu cầu đặt từ đầu,có thể nâng cao hiệu suất panel mặt trời thời điểm Mơ hình có giá khơng đắt ứng dụng nhiều nơi, làm nguồn cung cấp điện cho hộ gia đình khu vực chưa phát triển điện lưới, làm nguồn cung cấp dự phòng cúp điện Hướng phát triển tiếp theo: - Ứng pin mặt trời vào mơ hình có cơng suất lớn đời sống - Làm nghịch lưu pha để ứng dụng nhiều xài cho tải xoay chiều - Thiết kế khung xoay inox bền bỉ theo thời gian - Tiếp tục phát triểnvà ứng dụng giải thuật dị tìm điểm cơng suất cực nhanh chóng bám sát điểm cực đại ổn định -Ứng dụng vào mơ hình lượng mặt trời lớn,từ kết nối với lưới điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] O Bingol, A Altinta, and Y Oner, “Microcontroller based solar- tracking system and its implementation,” Journal of Engineering Sciences, vol 12, pp 243–248, 2006 [2] R U Rahman, D I Ahmed, M A Fahmi, T Tasnuva, M F Khan, “Performance Enhancement of PV solar system by Diffused Reflection,” Intl Conf on the Developments in Renewable Energy Technology, pp 96-99, December, 2009 [3] Đặng Đình Thống (2008), Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật,152 trang Thông tin liên hệ tác giả chính: Họ tên: Nguyễn Nhân Bổn Đơn vị: BM Điện Công Nghiệp, khoa Điện – Điện Tử, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Điện thoại: 090387443 Email: nnbon2009@gmail.com Hướng Nghiên cứu chính: Hệ Thống Điện, Năng lượng tái tạo, chất lượng điện năng, Hệ thống Scada ... truyền động Như biết, trái đất xoay quanh trục với tốc độ chậm (1vòng/ngày) động xoay với tốc độ nhanh gấp nhiều lần, khơng thể dùng động dẫn động trực tiếp cho panel mà phải thông qua cấu truyền... mạch Buck, áp ngõ có giá trị thấp so với áp ngõ vào, đồng thời nâng cao dòng điện giúp sạc Ắc-quy nhanh đầy Hình 4:Sơ đồ ngun lý mạch dị tìm cơng suất cực đại Hệ thống dị tìm điểm cực đại nhờ vào... đoạn 3) Khi đó, Ắc-quy từ từ khơi phục 10% dung lượng cịn lại Như tồn dung lượng Ắc-quy khơi phục nhanh chóng an tồn Hình 5:Sơ đồ ngun lý mạch sạc Ắc-quy Với thiết kế mạch điện ta cần linh kiện