ĐỒ án tốt NGHIỆP đề tài thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ XNCN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế sạc ắc quy sử dụng lượng mặt trời ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED Giáo viên hướng dẫn : GS Tạ Cao Minh : Ths Nguyễn Duy Đỉnh Sinh viên thực : Lê Tất Thắng Lớp : TĐH3-K55 MSSV : 20102213 Hµ néi - 2015 Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Lịch sử 1.2 Phân loại hệ thống lượng mặt t 1.2.1 1.2.2 1.3 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng lượn đường 1.4 Kết luận PIN MẶT TRỜI 2.1 Khái niệm pin mặt trời 2.1.1 2.1.2 2.2 Đặc tính làm việc pin mặt trời 2.3 Mơ hình hóa pin mặt trời 2.4 Thuật tốn điều khiển bám cơng suấ 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 Kết luận i Mục lục ẮC QUY AXIT CHÌ 3.1 Tổng quan ắc quy 3.2 Một số phương pháp sạc 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 Quy trình sạc tiêu chuẩn 3.3.1 3.3.2 3.4 Sạc ắc quy kết hợp MPPT 3.5 Kết luận ĐÈN LED 4.1 Tổng quan chiếu sáng đèn LED 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 Quy trình sạc ắc quy kết hợp với chiế 4.3 Kết luận LỰA CHỌN, TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 5.1 Bài toán thiết kế 5.2 Bộ biến đổi cho sạc 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 Bộ biến đổi cho tải LED 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 Kết luận ii Mục lục KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 6.1 Các kết mô 6.1.1 6.1.2 6.2 Kết thực nghiệm 6.2.1 6.2.2 Kết luận 6.3 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iii Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Sử dụng trực tiếp lượng từ pin mặt trời Hệ thống lượng mặt trời độc lập với ắc quy Hệ thống lượng mặt trời nối lưới phân cấp Hệ thống lượng mặt trời nối lưới trung tâm Hệ thống sạc ắc quy sử dụng lượng mặt trời ứ đường 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 Cấu tạo pin mặt trời [1] Ảnh hưởng xạ mặt trời (a) nhiệt độ (b) tới đặc tí Đường đặc tính PV thay đổi nhiệt độ xạ m Đặc tính I V pin mặt trời [9] Mơ hình tương đương pin mặt trời [9] Sơ đồ mạch tương đương tuyến tính [9] Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải [6] Đặc tính làm việc pin mặt trời tải [6] Pin mặt trời kết nối với tải qua biến đổi DC/DC [ Sơ đồ cấu trúc điều khiển MPPT với thuật tốn P Đặc tính P-V pin mặt trời 2.12 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển theo điện áp tham c 3.1 3.2 3.3 3.4 Cấu tạo ắc quy axit chì Quy trình sạc ắc quy Sơ đồ hệ thống sạc ắc quy pin Mặt trời Quy trình sạc ắc quy pin Mặt trời 4.1 4.2 4.3 4.4 Đặc tính Volt-Ampe đèn LED [11] (a) Đèn LED Downlight (b) Đèn LED Tube (c) Đèn L Đèn LED trời: (a) Đèn LED siêu sáng (b) Đèn Quy trình sạc ắc quy thắp sáng LED iv Danh mục hình vẽ 4.5 Thuật tốn sạc ắc quy phân phối tải LED 32 5.1 Cấu hình biến đổi Boost với đầu vào pin mặt trời đầu ắc quy 34 5.2 Đặc tính thể quan hệ RESR2=RESR0 theo tần số [8] 35 5.3 Mô hình mạch Boost MOSFET đóng [9] 36 5.4 Mơ hình mạch Boost MOSFET cắt [9] 5.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho sạc 5.6 Cấu trúc bù loại [12] 5.7 Sơ đồ điều khiển mạch vòng dòng điện [10] 5.8 Sơ đồ khối dạng sóng khối PWM [10] 5.9 Đồ thị Bode đối tượng dòng điện 44 5.10 Đồ thị Bode mạch vòng dòng điện sau bù 5.11 Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp [10] 5.12 Đồ thị Bode mạch vòng điện áp 5.13 Đồ thị Bode mạch vòng điện áp sau bù 47 5.14 Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp [10] 5.15 Đồ thị Bode đối tượng điện áp 5.16 Đồ thị Bode mạch vòng điện áp sau bù 49 5.17 Đồ thị Bode mạch vòng điện áp sau bù 49 5.18 Mơ hình mạch nguồn LED MOSFET đóng 5.19 Mơ hình mạch nguồn LED MOSFET cắt 5.20 Sơ đồ khối điều khiển nguồn LED 52 5.21 Sơ đồ khối điều khiển nguồn LED 53 5.22 Đồ thị Bode đối tượng dòng điện nguồn LED 37 40 41 42 43 45 45 46 47 48 51 51 53 5.23 Đồ thị Bode mạch vòng dòng điện nguồn LED sau bù 54 6.1 Sơ đồ sạc ắc quy mô phần mềm PSIM 9.0 55 6.2 Bám công suất với thuật tốn P&O chưa có điều khiển 56 6.3 Bám công suất cực đại với điều khiển dòng áp 56 6.4 Đện áp biến đổi 57 6.5 Dòng điện biến đổi 57 6.6 Điện áp đầu biến đổi chế độ 58 6.7 Điện áp đầu biến đổi chế độ 58 6.8 Sơ đồ chiếu sáng LED mô phần mềm PSIM 9.0 sử dụng UC3842 59 6.9 Dòng điện đầu biến đổi 59 v Danh mục hình vẽ 6.10 Hệ thống sạc ắc quy sử dụng lượng mặt trời ứng dụng tải LED đèn đường 60 6.11 Sơ đồ mạch thực nghiệm biến đổi sạc ắc quy 61 6.12 Điện áp hở mạch pin mặt trời 62 6.13 Bắt đầu dò tìm điểm cơng suất cực đại pin mặt trời 63 6.14 Điện áp dòng điện bắt đầu tăng lên đến tìm điểm làm việc lớn pin mặt trời 63 6.15 Điện áp dòng điện điểm làm việc lớn pin mặt trời 64 6.16 Dòng điện sạc ắc quy giảm dần 65 6.17 Dòng điện điện áp sạc ắc quy chế độ 6.18 Mạch chiếu sáng cho LED 6.19 Dòng điện đầu cấp cho LED chạy 75% tải 67 P.1 Nguyên lý mạch sạc ắc quy P.2 Nguyên lý mạch chiếu sáng LED 72 P.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống 73 65 66 71 vi Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG 1.1 Thông số pin mặt trời SL80CE-18M đo điều kiện chuẩn ( o xạ mặt trời 1000W/m2, nhiệt độ 25 C) 1.2 Thơng số ắc quy axit chì 5.1 Thông số thiết kế cho sạc ắc quy 5.2 Thông số thiết kế nguồn cho LED 6.1 Kết thực nghiệm ngày 24/5/2015 vii Chương Kết mơ thực nghiệm Hình 6.11: Sơ đồ mạch thực nghiệm biến đổi sạc ắc quy 6.2.1 Kết thực nghiệm sạc ắc quy sử dụng lượng mặt trời Hình 6.11 hình ảnh thực nghiệm biến đổi sạc ắc quy Trong đó: 1) Tụ đầu 2) Diode 3) MOSFET 4) Cuộn kháng 5) Nguồn cho mạch điều khiển 6) Hiển thị dòng điện điện áp LCD 16x2 7) Tụ đầu vào cầu chì bảo vệ 8) Vi điều khiển Tiva TM4C1230H6PM Bộ điều khiển rời rạc hóa, sau lập trình vi điều khiển, tần số trích mẫu 10kHz Trong khoảng thời gian 10kHz, vi điều khiển cần đảm bảo đủ nhanh để thực thuận tốn, tính tốn điều khiển 61 Chương Kết mô thực nghiệm Đối với sạc, kênh PWM sử dụng để cung cấp tín hiệu điều khiển, linh kiện điện tử opto để cách ly IR2103 sử dụng để đệm tín hiệu điều khiển từ đóng mở van MOSTFET Nguồn điện để cung cấp cho mạch điều khiển LCD lấy từ ắc quy, sau qua IC7805, IC7815 để tạo mức điện áp phù hợp Các thông số sạc hiển thị LCD với giá trị: Ir dòng điện cuộn cảm Vg điện áp dầu vào Vb điện áp đầu Ib dòng điện sạc cho ắc quy Kết thực nghiệm chế độ với việc dị bám cơng suất cực đại Trong q trình thực nghiệm việc dị bám công suất cực đại, việc so sánh điện áp hở mạch điện áp sau bám cơng suất cực đại cần thiết, giúp việc đánh giá chất lượng thuật toán Cụ thể thuật toán điều khiển bắt đầu làm việc, điện áp pin mặt trời giảm từ giá trị hở mạch Voc khoảng 80%-90% giá trị hở mạch ổn định quanh điểm cơng suất cực đại coi đảm bảo yêu cầu Dưới phân tích trình làm việc biến đổi kiểm tra chất lượng hệ thống Thông số đo đạc vào ngày 27/4/2015 Ban đầu trạng thái hở mạch, điện áp đo 19,7V(Hình 6.12) Hình 6.12: Điện áp hở mạch pin mặt trời 62 Chương Kết mô thực nghiệm Bắt đầu thực dị tìm điểm làm việc lớn pin mặt trời Trong Hình 6.13 6.14 , hệ thống bắt đầu dị tìm điểm làm việc lớn pin mặt trời thời điểm Điện áp dị tìm bắt đầu giảm dần từ 19,7V xuống 18,3V dịng điện tăng dần đến 0.98A Hình 6.13: Bắt đầu dị tìm điểm cơng suất cực đại pin mặt trời Đang dị tìm điểm làm việc lớn pin mặt trời Hình 6.14: Điện áp dịng điện bắt đầu tăng lên đến tìm điểm làm việc lớn pin mặt trời 63 Chương Kết mô thực nghiệm Sau giây, hệ thống dị tìm điểm làm việc lớn pin mặt trời Trong Hình 6.15, hệ thống tìm điểm làm việc cực đại Điện áp đầu vào 17,6 xấp xỉ 80% điện áp hở mạch Dòng điện sạc cho ắc quy lên đến 1,24A điện áp lên tới 27V Thời tiết thời điểm đó, cơng suất lớn lấy từ pin mặt trời Pmax = 27.1,24 = 33,48W Hình 6.15: Điện áp dịng điện điểm làm việc lớn pin mặt trời Một số kết khác thu ngày ghi lại Bảng 6.1 đây: Bảng 6.1: Kết thực nghiệm ngày 24/5/2015 Thời gian 12h45 14h00 14h30 16h00 Kết cho thấy ứng với điều kiện thời tiết, hệ thống thực MPPT sạc ắc quy cho dù cơng suất đạt có 10W, biến đổi sạc với dòng điện 0,41A 64 Chương Kết mô thực nghiệm Kết thực nghiệm chế độ Khi điện áp đầu tăng đến giá trị nạp, biến đổi giữ áp khơng đổi 27,9V (Hình 6.16) dịng điện giảm dần Trong hình biểu thị giá trị dòng điện 0.32A Khi giảm xuống 0.13 A, hệ thống làm việc chế độ Hình 6.16: Dòng điện sạc ắc quy giảm dần Kết thực nghiệm chế độ Trên Hình 6.17 thể điện áp sạc chế độ giữ ổn định 28V Dòng sạc giảm dần trì với dịng sạc nhỏ 0,13A Hình 6.17: Dịng điện điện áp sạc ắc quy chế độ 65 Chương Kết mô thực nghiệm 6.2.2 Kết thực nghiệm chiếu sáng LED a) Mạch chiếu sáng LED Hình 6.18: Mạch chiếu sáng cho LED Trong đó: 1) Nguồn đầu vào 2) Nguồn cung cấp cho IC driver 3) Cầu chì 2A 4) Cuộn cảm 5) IR2103 6) MOSFET 7) Diode xung 8) opto 9) Đầu cho LED b) Kết dòng điện điện áp đầu biến đổi Hình 6.19 kết dòng điện đầu cho LED với độ đập mạch 66 Chương Kết mơ thực nghiệm Hình 6.19: Dịng điện đầu cấp cho LED chạy 75% tải 6.3 Kết luận Kết mô kết thực nghiệm đánh giá nghiệm thu chương cho thấy hệ thống làm việc đáp ứng tốt yêu cầu thiết kế: Thuật tốn P&O cho đáp ứng cơng suất cực đại nhanh đồng thời khắc phục nhược điểm thuật toán với độ giao động điểm cực đại thấp Thực chế độ sạc cho ắc quy, bảo vệ ắc quy áp, dòng Bộ chiếu sáng LED thực ổn dòng đầu cho LED đảm bảo yêu cầu thiết kế 67 Kết luận KẾT LUẬN Thông qua đồ án tốt nghiệp:“Thiết kế sạc ắc quy sử dụng lượng mặt trời ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED”, em tiếp cận với hướng hệ thống lượng mặt trời, bên cạnh vận dụng sáng tạo kiến thức học giảng đường, kết hợp với tìm hiểu sách báo khoa học quốc tế, em hồn thành đồ án với bước: phân tích hệ thống, phân tích thiết kế, mơ hình hóa, thiết điều khiển, mơ phỏng, lập trình, thiết kế mạch thực, kiểm nghiệm đánh giá Một số kết quan trọng thu được: Tìm hiểu hoạt động hệ thống PMT Triển khai nghiên cứu, thiết kế sạc ắc quy với thuật toán MPPT, cụ thể sử dụng thuật toán P&O, điều khiển kết hợp để nâng cao hiệu thuật toán Hệ thống sạc ắc quy lead acid với chế độ, bên cạnh bảo vệ dịng, bảo vệ q áp, bảo vệ xả sâu nhằm nâng cao tuổi thọ ắc quy Thiết kế biến đổi cho tải LED (40W)với điều khiển dòng Hệ thống tự chiếu sáng trời tối chuyển sang sạc ắc quy trời sáng Hạn chế chưa giải quyết: Hệ thống hoạt động cơng suất cịn thấp Van hoạt động cịn nóng Phương án khắc phục: Cải tiến mạch lực, biến đổi giúp hệ thống hoạt động ổn định với cơng suất lớn hơn, Tính toán cải tiến tản nhiệt Hướng phát triển: Thiết kế sạc với công suất lớn 68 Kết luận Thực ghép nối hệ thống với lưới điện lượng ắc quy hết Trong trình thực đồ án, em cố gắng khơng thể tránh khỏi thiếu sót bị giới hạn thời gian Em mong nhận nhận xét, bổ xung để đồ án em hoàn thiện hơn, em xin chân thành cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2015 Sinh viên thực Lê Tất Thắng 69 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Hersch, K Zweibel, “Basic Photovoltaic Principles and Methods,” Technical Infor-mation Office, 1982 [2] Silje Odland Simonsen, “Development of a Grid connected PV System for laboratory Use,” Norwegian University of Science and Technology, 2009 [3] M 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 [4] Diamila Rekioua,Ernest Matagne, “Optimization of Photovoltaic Power systems,” Sp-inger London Dordrecht Heidelberg New York, 2012 [5] M 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 [6] R 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 [7] R W Erickson, Fundermentals of Power Electronics Kluwer Academic Publishers, 2001 [8] QuadTech, “Equivalent Series Resistance of Capacitors,” 2003 [9] D S Morales, “Boost Converter with Combined Control Loop for a Stand-Alone Photovoltaic Battery Charge System,” Power Electronics, IEEE Transactions, 2007 [10] V H Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất.” 2014 [11] S Winder, Power Supplies for LED Driving Newnes, 2008 [12] L Cao, A P Power, “Design Type II Compensation In A Systematic Way,” 2001 70 Phụ lục PHỤ LỤC P1 Mạch nguyên lý sạc ắc quy Hình P.1: Nguyên lý mạch sạc ắc quy 71 Phụ lục P2 Mạch nguyên lý chiếu sáng LED Hình P.2: Nguyên lý mạch chiếu sáng LED 72 Phụ lục P3 Lưu đồ thuật tốn hệ thống Hình P.3: Lưu đồ thuật toán hệ thống 73 ... khai thác lượng mặt trời Đề tài: ? ?Thiết kế sạc ắc quy sử dụng lượng mặt trời ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED? ?? đề tài mà tiềm việc khai thác lượng mặt trời ứng dụng cho chiếu sáng Bên cạnh... ắc quy sử dụng lượng mặt trời ứng dụng cho tải đèn đường Hệ thống sạc ắc quy sử dụng lượng mặt trời kết nối tải led ứng dụng sử dụng cấu trúc hệ thống lượng mặt trời độc lập với việc chiếu sáng... (a) Đèn LED Downlight (b) Đèn LED Tube (c) Đèn LED Pannel Hình 4.3: Đèn LED ngồi trời: (a) Đèn LED siêu sáng (b) Đèn LED Street Thiết bị chiếu sáng trời: – Đèn LED siêu sáng, LED pha ứng dụng cho