TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Các nguồn năng lượng hóa thạch chủ yếu gây ô nhiễm môi trường và đang dần cạn kiệt, góp phần làm trái đất ấm lên và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái Do đó, việc tìm kiếm nguồn năng lượng sạch và vô tận trở thành ưu tiên hàng đầu Năng lượng mặt trời và năng lượng gió đáp ứng được các yêu cầu này, nhưng vẫn còn hạn chế về công suất và giá thành cao.
Nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời đang thu hút sự chú ý lớn nhờ vào tính ưu việt như nguồn năng lượng luôn có sẵn, siêu sạch và gần như vô tận Tuy nhiên, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này vẫn là một thách thức lớn, đặc biệt liên quan đến giá thành và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời Trong những năm gần đây, hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đã phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam Đặc biệt, ở những vùng hải đảo như Kiên Giang, nguồn năng lượng mặt trời được khai thác nhiều Do đó, việc cải thiện hiệu suất sử dụng pin năng lượng mặt trời thông qua việc dò công suất cực đại để đảm bảo hoạt động ở điều kiện tối ưu là rất cần thiết, và đây chính là nội dung nghiên cứu của tác giả.
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là một loại bán dẫn chứa nhiều cảm biến ánh sáng, hay còn gọi là điốt quang Chức năng chính của nó là chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện.
Pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng thiết thực, đặc biệt phù hợp cho những vùng khó tiếp cận điện lưới như núi cao và đảo xa Chúng được sử dụng cho các thiết bị như vệ tinh, máy tính xách tay, điện thoại di động và thiết bị bơm nước Các pin này được thiết kế thành các modul, ghép lại tạo thành tấm năng lượng mặt trời lớn, thường lắp đặt trên nóc tòa nhà để tối ưu hóa ánh sáng Hiện nay, nhiều tấm pin mặt trời được trang bị bộ phận tự động điều khiển, cho phép chúng xoay theo hướng ánh sáng, tương tự như cách cây xanh hướng về mặt trời.
Bộ ắc-quy là thiết bị lưu trữ điện, giúp sử dụng năng lượng vào ban đêm hoặc khi trời ít nắng Có nhiều loại ắc-quy với kích thước và dung lượng khác nhau, phù hợp với công suất của hệ thống pin mặt trời; hệ thống càng lớn thì càng cần ắc-quy dung lượng lớn hoặc nhiều bình kết nối Đề tài này cung cấp cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời và phương pháp thu năng lượng tối ưu thông qua bộ điều khiển PID, đồng thời khảo sát các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình Tác giả thử nghiệm bộ PID để dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời, so sánh hiệu suất và giá thành của các phương pháp điều khiển khác nhau trong hệ thống MPPT cho năng lượng mặt trời độc lập.
Giải thuật PID (Proportional Integral Derivative) là một phương pháp điều khiển cơ bản, bao gồm bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ, hoạt động theo cơ chế phản hồi Giải thuật này được áp dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển PID sẽ tính toán "sai số" bằng cách lấy hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn Nhờ vào bộ điều khiển PID, chúng ta có khả năng điều chỉnh nguồn năng lượng thu được khi cường độ ánh sáng thay đổi.
Giải thuật PID khắc phục nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống và có nhiều ưu điểm hơn so với P&O cải tiến Bộ điều khiển PID bao gồm ba thông số riêng biệt: giá trị tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Giá trị tỉ lệ phản ánh sai số hiện tại, giá trị tích phân tổng hợp các sai số quá khứ, và giá trị vi phân dự đoán sai số tương lai dựa trên tốc độ biến đổi hiện tại Việc điều chỉnh ba hằng số này giúp bộ điều khiển PID có thể đáp ứng những yêu cầu thiết kế đặc biệt Mặc dù xác định các thông số của bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm đơn giản và trực quan, nhưng đối với những ứng dụng yêu cầu chất lượng cao hơn, các thông số cần được điều chỉnh để đạt được chất lượng mong muốn.
So với nhiều phương pháp thực nghiệm, việc xác định các thông số cho bộ điều khiển PID thường tốn nhiều thời gian hơn Trong quá trình thực hiện bộ điều khiển PID, có ba kỹ thuật thích nghi chính được áp dụng.
Điều khiển thích nghi là một hệ thống điều khiển mà các thông số cửa được điều chỉnh liên tục nhằm phản ứng với sự thay đổi trong quá trình và tác động của nhiễu.
Tự chỉnh (Self tuning) là quá trình điều chỉnh bộ điều khiển tự động theo yêu cầu của người sử dụng thông qua việc tính toán các thông số của bộ điều khiển PID Quá trình này bao gồm ba bước chính: tạo nhiễu quá trình, đánh giá đáp ứng nhiễu và tính toán các thông số của bộ điều khiển.
Quy trình điều khiển bao gồm việc xây dựng một bảng danh mục các điều kiện vận hành, giúp cho việc thay đổi nhanh chóng các thông số của bộ điều khiển trong những điều kiện khác nhau trở nên dễ dàng và hiệu quả.
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu có liên quan
Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời, chủ yếu trong các lĩnh vực sau:
* Mô phỏng theo dõi điểm công suất tối đa của hệ thống PV dựa trên điều khiển Fuzzy Logic[7].
Bài viết này giới thiệu phương pháp tìm điểm công suất tối đa (MPPT) cho hệ thống năng lượng mặt trời (PV) dựa trên lý thuyết Fuzzy Logic Nghiên cứu tập trung vào việc quan sát và điều chỉnh hệ thống để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các tấm pin mặt trời.
Thuật toán được so sánh với bộ điều khiển logic mờ trong việc mô phỏng điều khiển MPPT Hệ thống sử dụng bộ chuyển đổi DC/DC Cuk cho tải trọng cụ thể Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển Fuzzy Logic MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời là hợp lý và hiệu quả.
* Toán học Mô hình hóa và mô phỏng kỹ thuật số của PV Solar Panel sử dụng phần mềm MATLAB – MBOUMBOUE [21].
Bài báo khoa học này trình bày một phương pháp đơn giản để mô hình hóa và mô phỏng các tấm quang điện bằng phần mềm MATLAB Phương pháp này giúp xác định các đặc điểm của tấm pin năng lượng mặt trời và nghiên cứu tác động của các giá trị bức xạ mặt trời khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau đến hiệu suất của tế bào quang điện.
* Advanced Fuzzy MPPT Controller for a stand-alone PV system [22]
Mục tiêu của đề tài
Đề tài nghiên cứu các phương pháp xác định điểm làm việc cực đại của pin mặt trời, tập trung vào việc phân tích các đặc tuyến của pin mặt trời để tìm ra điểm vận hành tối ưu.
Điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống năng lượng mặt trời MPP không cố định mà thay đổi theo điều kiện môi trường, đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin Việc tìm kiếm và duy trì MPP giúp các mô đun pin mặt trời hoạt động hiệu quả nhất, tối đa hóa công suất nhận được từ năng lượng mặt trời.
Mục tiêu của nghiên cứu là xác định điểm công suất lớn nhất của hệ thống quang điện nhằm tối ưu hóa công suất chuyển giao cho hệ thống điện Bài viết trình bày một giải thuật điều khiển MPPT để thực hiện việc sạc tối ưu cho hệ thống pin năng lượng mặt trời Phương pháp điều khiển PID được áp dụng để dò tìm điểm công suất tối ưu của pin mặt trời, cung cấp điện cho tải DC trong điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ và bức xạ, đồng thời đảm bảo chi phí thấp.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
- Xây dựng mô hình pin mặt trời, phân tích các đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời
- Phân tích sự phụ thuộc các đặc tính của pin năng lượng dưới các điều kiện năng lượng thay đổi
- Phân tích tính cần thiết của điểm làm việc cực đại của pin năng lượng
- Ứng dụng Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin năng lượng, xây dựng giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại bằng PID
- Phân tích kết quả nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
- Nghiên cứu các mô hình toán học của pin năng lượng
- Nghiên cứu các đặc tuyến làm việc của pin năng lượng
- Nghiên cứu các bài báo về ứng dụng các phương pháp điều khiển PID
- Xây dựng mô hình mô phỏng Pin năng lượng và giải thuật MPPT bằng bộ PID
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị
Tính mới của đề tài
- Mô phỏng trên phần mềm Matlab, phương pháp PID điều khiển dò tìm điểm cực đại của Pin năng lượng.
Giá trị thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Điện công nghiệp tại trường Cao đẳng Nghề Kiên Giang
- Ứng dụng thiết kế đưa vào sử dụng bộ điều khiển PID dò tìm điểm cực đại của Pin năng lượng mặt trời đang sử dụng tại Kiên Giang.
Nội dung của đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và các bộ biến đổi năng lượng Chương 3: Bộ điều khiển PID
Chương 4: Mô phỏng hệ thống Pin năng lượng sử dụng bộ điều khiển PID Chương 5: Tính toán thực nghiệm hệ thống Pin năng lượng mặt trời
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
2.1 Công nghệ điện mặt trời
Công nghệ nhiệt mặt trời chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng thông qua bộ thu hội tụ và bộ dõi theo mặt trời Đối với các bộ thu không cần độ hội tụ cao, chỉ cần điều chỉnh vài lần trong ngày, có thể thực hiện bằng tay Tuy nhiên, các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao cần điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa hiệu suất Phần lớn các bộ thu này là bộ hội tụ máng parabol, nơi các tia sáng mặt trời được hội tụ tại đường tiêu điểm.
2.1.1 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp
Công nghệ mặt trời nhiệt độ thấp dựa trên hiện tượng hiệu ứng nhà kính Kính dùng trong hiệu ứng nhà kính có tính chất sau:
- Cho ánh sáng có bước sóng λ < 0,8 μm qua dễ dàng, ngăn không cho ánh sáng có λ > 0,8 μm
- Khoảng hơn 70% năng lượng mặt trời tập trung ở vùng phổ λ < 0,8 μm
Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính
Hình 2.1:Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính
Tia bức xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn 0,8 μm có khả năng xuyên qua tấm kính Khi tia mặt trời tiếp xúc với tấm hấp thụ, chúng bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt Kết quả là tấm hấp thụ nóng lên và phát ra tia sóng dài với bước sóng lớn hơn 0,8 μm, nhưng các tia này lại bị kính ngăn chặn.
Năng lượng mặt trời được hấp thụ vào trong hộp và không thể thoát ra, khiến cho hộp hoạt động như một "bẫy nhiệt" Sự tích tụ năng lượng mặt trời trong hộp làm cho tấm hấp thụ và không khí bên trong nóng lên đến hàng trăm độ, minh chứng cho hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
2.1.2 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ cao
Nguyên lý hoạt động của thiết bị hội tụ bức xạ mặt trời là tập trung năng lượng từ một diện tích lớn vào một khu vực nhỏ, giúp tăng mật độ năng lượng và nâng cao nhiệt độ lên hàng trăm hoặc hàng nghìn độ C.
Các thiết bị hội tụ:
- Các gương phẳng phản xạ hội tụ
Hình 2.2 :Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng đĩa parapol
Hình 2.3: Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử máng parapol 2.2 Hệ thống pin mặt trời
Hệ pin mặt trời, hay còn gọi là hệ PV (Photovoltaic System), hiện có hai loại: hệ PV làm việc độc lập và hệ PV nối lưới Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ tập trung vào hệ PV làm việc độc lập.
Hệ PV độc lập thường được áp dụng ở những khu vực hẻo lánh hoặc nơi mà lưới điện chưa được phát triển Sơ đồ khối của hệ thống này thể hiện cấu trúc và chức năng của nó.
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập
Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là: Thành phần lưu giữ năng lượng và các bộ biến đổi bán dẫn
2.2.1 Thành phần lưu trữ năng lượng
Hệ quang điện hoạt động độc lập cần có hệ thống lưu trữ điện năng để cung cấp điện cho tải trong các khoảng thời gian thiếu ánh sáng, như vào ban đêm hoặc khi thời tiết xấu.
Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử
Ắc quy là thiết bị quan trọng để lưu trữ năng lượng, và để bảo vệ cũng như đảm bảo tuổi thọ cho ắc quy, cần phải sử dụng một bộ điều khiển nạp phù hợp.
2.2.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống Pin mặt trời làm việc độc lập
Bộ điều khiển nạp ắc-quy năng lượng mặt trời là thiết bị quan trọng kết nối giữa các tấm pin mặt trời và bình ắc-quy lưu trữ Nhiệm vụ chính của nó là điều chỉnh quá trình sạc ắc-quy từ nguồn điện do pin mặt trời tạo ra Các chức năng cụ thể bao gồm bảo vệ ắc-quy khỏi quá tải, điều chỉnh dòng điện và điện áp, cũng như tối ưu hóa hiệu suất sạc.
Bảo vệ bình ắc quy là rất quan trọng để duy trì tuổi thọ của thiết bị Khi bình ắc quy đạt mức đầy (VD 23.8V - 24V đối với ắc quy 24V), bộ điều khiển sẽ ngăn chặn việc nạp điện tiếp tục để tránh hiện tượng sôi bình Ngược lại, khi bình gần cạn (VD 18.5V đối với ắc quy 24V), bộ điều khiển sẽ tự động ngắt tải để bảo vệ bình không bị kiệt, đảm bảo hiệu suất hoạt động lâu dài.
Bảo vệ tấm pin mặt trời là rất quan trọng, vì nguyên lý hoạt động của dòng điện là di chuyển từ khu vực có điện áp cao đến khu vực có điện áp thấp Vào ban ngày, khi có ánh nắng, điện áp của tấm pin mặt trời loại 24V sẽ dao động trong khoảng
Khi điện áp của ắc quy cao hơn 25 đến 30V, dòng điện sẽ chảy từ pin xuống ắc quy Tuy nhiên, vào ban đêm, khi không có ánh sáng, điện áp của pin sẽ thấp hơn, dẫn đến dòng điện chảy ngược từ ắc quy lên tấm pin, gây hư hại và giảm hiệu suất của tấm pin Do đó, bộ điều khiển được thiết kế để ngăn chặn dòng điện đi ngược, bảo vệ tấm pin khỏi hiện tượng này.
Để đạt hiệu suất tối đa từ tấm pin mặt trời, thiết bị điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa công suất sạc đạt cực đại Pmax Các bộ điều khiển sạc truyền thống chỉ đơn giản là ngắt kết nối khi bình ắc quy đầy hoặc cạn, trong khi các thiết bị hiện đại sử dụng phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM (Pulse - Width - Modulation) với mạch Transistor để ổn định điện áp sạc Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là tiêu tốn khoảng 20% lượng điện sạc từ tấm pin mặt trời.
Hình 2.5: Biểu đồ so sánh bộ điều khiển sạc thông thường và bộ điều khiển sạc điều khiển MPP
Các bộ điều khiển sạc hiện đại áp dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, tích hợp bộ vi xử lý và thiết bị đo để xác định điểm công suất cực đại (MPP) Pmax nhằm tối ưu hóa quá trình sạc cho ắc quy Diện tích hình chữ nhật màu xám trong hình minh họa thể hiện công suất cực đại này.
Phương pháp sạc xung là một giải pháp hiệu quả giúp kéo dài tuổi thọ của ắc quy Hiện nay, phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong việc sạc laptop và điện thoại, mang lại nhiều lợi ích cho việc bảo vệ và nâng cao hiệu suất của pin.
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một hệ thống điều khiển quan trọng trong ngành công nghiệp, bao gồm ba thành phần cơ bản: khâu vi phân, khâu tích phân và khâu tỷ lệ Với nguyên lý hồi tiếp, bộ PID được áp dụng rộng rãi để duy trì và điều chỉnh các quá trình công nghiệp một cách hiệu quả.
Bộ PID có cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, giúp điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) và giá trị đặt (setpoint) thông qua việc tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Sơ đồ khối của bộ PID thể hiện rõ cách thức hoạt động này.
Hình 3.1 – Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID
Bộ điều khiển PID giúp tăng tốc độ đáp ứng của vòng kín, nâng cao độ chính xác của phản hồi xác lập và giảm độ vọt lố Việc thiết kế bộ PID tương đối dễ dàng và linh hoạt, vì vậy tác giả đã chọn mô hình điều khiển PID để điều khiển mô hình vật lý trong nghiên cứu này.
Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần chính: P (proportional) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch Đối tượng điều khiển là thành phần khách quan có tín hiệu ra cần được điều chỉnh, với nhiệm vụ chính là tác động lên đầu vào của đối tượng sao cho đại lượng cần điều khiển đạt giá trị mong muốn.
Có ba phương thức điều khiển: Điều khiển theo chương trình; Phương thức bù nhiễu; Phương thức điều khiển sai lệch
Trong phương thức điều khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển được phát ra từ một chương trình định sẵn trong thiết bị điều khiển Phương thức bù nhiễu nhằm điều chỉnh tín hiệu để bù lại tác động của nhiễu loạn, giữ cho giá trị đầu ra của đại lượng cần điều khiển ổn định Đối với phương thức điều khiển theo sai lệch, tín hiệu điều khiển là sự khác biệt giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế của đại lượng Dựa vào yêu cầu tín hiệu đầu ra, hệ số KP, KI, và KD sẽ được điều chỉnh để tối ưu hóa tín hiệu đầu ra.
Khâu P tạo tín hiệu điều khiển tỷ lệ với giá trị sai lệch bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP, được gọi là hằng số tỷ lệ.
Khâu P được tính dựa trên công thức:
(3.1) Với: Pout: giá trị ngõ ra
K P : hằng số tỉ lệ e: sai lệch: e = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P:
Nếu chỉ có khâu P, sai số tĩnh sẽ luôn tồn tại trừ khi giá trị đầu vào bằng 0 hoặc trùng với giá trị mong muốn Hình ảnh dưới đây minh họa sự xuất hiện của sai số tĩnh khi giá trị đặt thay đổi.
Hình 3.2 Đáp ứng của khâu P
Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0 Khâu I được tính theo công thức:
(3.2) Với: I OUT : giá trị ngõ ra khâu I
K i : hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV
Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động
Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI:
Hình 3.3: Đáp ứng của khâu I và PI
Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập
Khâu D bổ sung tốc độ thay đổi của sai số vào giá trị điều khiển đầu ra Khi sai số biến đổi nhanh, nó tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển, từ đó cải thiện phản ứng của hệ thống Điều này giúp hệ thống thay đổi trạng thái nhanh chóng và nhanh chóng đạt được giá trị mong muốn.
Khâu D được tính theo công thức:
Với: D OUT: ngõ ra khâu D
K D : hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV
Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành bộ PID
Hình 3.4: Đáp ứng của khâu D và PD
Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ
P Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định
3.1.4 Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D
Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:
Hình 3.5 - Sơ đồ khối bộ điều khiển PID lý tưởng
Bộ điều khiển PID kết hợp các ưu điểm của bộ điều khiển PI mờ và PD mờ, mang lại khả năng điều khiển chính xác mà không có sai số, thời gian đáp ứng nhanh chóng và độ vọt lố thấp.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Mô hình mô phỏng mạch cho pin quang điện giúp ước tính các đường cong đặc trưng của quang điện, liên quan đến sự thay đổi của các thông số môi trường như nhiệt độ và độ bức xạ, cũng như các thông số của pin quang điện Điều này hỗ trợ trong quá trình phân tích và tái tạo MPPT (thuật toán điểm cực đại) Việc sử dụng phương trình Diode Shockley cho phép mô hình bảng quang điện được mô phỏng chính xác trong Simulink.
4.1 Các hệ số toán học trong PV Cell
Các đại lượng toán học trong tiêu chuẩn kiểm tra ở điều kiện STC G = 1000
W/m 2 tại phân bố phổ AM = 1.5, T op = 25 o C
G k : Hệ số phản xạ mặt trời = G (W /m) 2 (khi hoạt động)
V oc: Điện áp khi hở mạch
K: Hằng số Boltzmann, 1.38e -23 (là đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng)
T op : Nhiệt độ hoạt động của tế bào năng lượng mặt trời
T ref : Nhiệt độ tế bào ở 25 o C q: hằng số electron khi được sạc 1,6 e -19 c
I s : Dòng điện qua Diode ngược bão hòa hiện tại ( A)
I rs : Diode đảo ngược bão hòa hiện tại ở nhiệt độ T op
I: Dòng điện thu được từ PV (A)
I sh : Dòng điện qua mạch song song (A)
V: Điện áp thu được từ PV, (V)
N: hệ số diode lý tưởng, (1,36)
Ns, Np: số lượng bảng PV trong mắc nối tiếp và song song
4.2 Các phương trình toán học q
Iph = Gk [Isc + k1(Top –Tref )] 4.6
4.3 Mô hình Pin mặt trời
Pin mặt trời (PV) là thiết bị chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng Đặc tuyến công suất và dòng điện của pin mặt trời chịu ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời, nhiệt độ của pin và điện áp đầu ra Đặc biệt, đặc tuyến của PV có tính không tuyến tính, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Việc xây dựng mô hình pin mặt trời (PV) là rất cần thiết để nghiên cứu và thiết kế hệ thống theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) cho các ứng dụng PV Mặc dù đã có nhiều mô hình toán học mô tả chi tiết đặc tuyến của PV trong các điều kiện môi trường khác nhau, nhưng chúng chủ yếu được phát triển trên các phần mềm điện tử như PSIM, SPICE hoặc dưới dạng “script file” trong Matlab, gây khó khăn cho việc nghiên cứu và mô phỏng Hơn nữa, phần mềm Simulink/Matlab hiện tại thiếu thư viện mô hình PV, do đó, việc xây dựng mô hình PV bằng cách sử dụng các khối hàm có sẵn trong thư viện Simulink/Matlab là cần thiết để cải thiện khả năng nghiên cứu và khảo sát các đặc tính của PV.
Mô hình pin mặt trời được phát triển trong Matlab/Simulink, với các biểu thức f(u) được tạo ra dựa trên các biểu thức I-V của pin mặt trời theo các công thức từ (4.1-4.8).
Hình 4.1: Mô hình Pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink
Hình 4.2: Mô hình Pin mặt trời thu gọn
Hình 4.3: Mô hình Pin mặt trời dạng vật lý
Mô hình pin mặt trời dạng vật lý nối tải được thực hiện với việc sử dụng pin mặt trời thương mại MSX 60, với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Bảng 4.1 Thông số của pin mặt trời thương mại MSX 60 tại 1 kW/m 2 , 25 o C Đặc tính Thông số Đặc tính Thông số
Công suất đỉnh (PP) 60 W Hệ số nhiệt độ của VOC 80-90 mV/ o C Điện áp đỉnh (VPP) 17.1 V Hệ số nhiệt độ của ISC (K I ) 3 mA/ o C
Dòng điện đỉnh (I PP ) 3.5 A Ảnh hưởng nhiệt độ lên công suất -0.38 W/ o C
Dòng ngắn mạch (ISC ) 3.8 A Nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT) 49 o C Điện áp hở mạch (VOC) 21.1 V
Hình 4.5 Các thông số đầu vào của pin mặt trời 4.4 Mô hình mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hình 4.6: Mô hình hệ thống pin năng lượng mặt trời có bộ điều khiển PID
Pin mặt trời thu nhận năng lượng bức xạ và tạo ra điện áp 12V, 7.5A trên mỗi cell Tín hiệu dòng và áp được đo và đưa vào giải thuật MPPT & PO kết hợp với PID để tìm điểm công suất tối đa tại điện áp 20,1V Qua mạch Buck-Boost, điện áp ổn định 20V được tạo ra để nạp vào bình ắc quy, phục vụ cho tải một chiều hoặc biến đổi thành điện xoay chiều trong điều kiện thời tiết xấu Tín hiệu dòng điện lý thuyết được chuyển đổi qua khối SPS thành dòng điện một chiều vật lý, sau đó được làm phẳng bằng diode và đưa vào biến trở để tạo ra điện áp một chiều Biến trở này có thể điều chỉnh theo hàm dốc, trong khi tín hiệu điện áp hồi tiếp kết hợp với hàm dốc giúp điều khiển biến trở để nhanh chóng tìm điểm cực đại điện áp và ổn định điện áp, từ đó tối ưu hóa công suất phát ra của pin năng lượng mặt trời.
Thông số của bộ PID trong mô hình: P= 1; I0; D=0.0005; N0
4.5 Phương pháp điều khiển tìm điểm cực đại
4.5.1 Lưu đồ giải thuật tìm điểm cực đại
Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật tìm điểm cực đại bằng PID
Phương pháp này phân tích đạo hàm của công suất theo điện áp, cho thấy rằng đạo hàm có giá trị dương bên trái điểm cực đại và giá trị âm bên phải điểm cực đại.
Giải thuật này sử dụng phương pháp so sánh các biểu thức để xác định điểm cực đại Nó phân tích tỷ số độ thay đổi của dòng điện và điện áp, so sánh với tỷ số dòng điện để đưa ra kết luận chính xác.
Bên trái điểm MPP Bên phải điểm MPPP
Điện áp tức thời giúp xác định vị trí hoạt động của PV so với điểm cực đại Khi PV đạt đến điểm cực đại, giá trị đặt sẽ được duy trì ổn định Tuy nhiên, khi có sự thay đổi về điều kiện môi trường và tải, thuật toán sẽ tiếp tục so sánh và điều chỉnh giá trị đặt để tối ưu hóa công suất cực đại mới.
4.5.2 Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi
Công suất cực đại ngõ ra hay đổi khi điện trở Rs của pin thay đổi (Rs=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05) Các tham số mô phỏng:
- Hệ số lý tưởng N = 1.1; Dòng điện ngược bão hòa Is = 0.1 nA
Hình 4.8: Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs
Bảng 4.2: Giá trị Vm, Pm khi Rs thay đổi
Có thể thấy được công suất cực đại đạt được khi Rs nhỏ nhất, Rs càng tăng thì công suất cực đại giảm
Tiến hành khảo sát đặc tuyến và đo giá trị Pm khi thay đổi Is = 0.1; 1; 10nA Các tham số mô phỏng:
Hình 4.9: Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi
Bảng 4.3: Giá trị Vm, Pm khi Is thay đổi
Từ đường đặc tuyến 4.9 và và bảng 4.3 cho thấy công suất cực đại giảm khi tăng Is
4.5.4 Khi thay đổi nhiệt độ T
Khảo sát đặc tuyến khi thay đổi T%, 45, 65, 85 o C Các tham số khác
Hình 4.10: Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay đổi
Bảng 4.4: Giá trị Vm, Pm khi T thay đổi
Công suất của hệ thống năng lượng mặt trời tăng cao khi nhiệt độ bức xạ cao, tuy nhiên điều này không phù hợp với mọi điều kiện thời tiết và có thể làm giảm tuổi thọ của tấm pin Để tối ưu hóa hiệu suất, Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh và dò tìm điện áp cực đại, đảm bảo quá trình nạp cho ắc-quy diễn ra hiệu quả Khi nhiệt độ thấp, bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh để duy trì điện áp quanh điểm cực đại, trong khi nếu nhiệt độ quá cao, nó sẽ ngắt kết nối để bảo vệ tấm pin năng lượng khỏi hư hỏng.
Trường hợp bức xạ tương đối ổn định:
Hình 4.11: Độ rọi thay đổi ngẫu nhiên trong thời gian 1s
Hình 4.12: Dòng điện MPP của PV
Hình 4.13: Điện áp PV so sánh với giải thuật P&O
Hình 4.14: Công suất thu được so sánh với giải thuật P&O
Hình 4.15: Điện áp MPP của PV tương ứng với công suất thu được
Khi độ rọi thay đổi ngẫu nhiên như trong hình sau
Hình 4.16:Độ rọi thay đổi ngẫu nhiên, hoặc khá ổn định trong một khoảng thời gian
So sánh điện áp ra của Pin mặt trời khi chưa sử dụng bộ PID ( V2) và khi có bộ PID (V)
Hình 4.17: Đường đặc tính điện áp ra của Pin năng lượng mặt trời khi sử dụng
Điện áp ngõ ra trong hệ thống có sử dụng PID và không có PID cho thấy sự khác biệt rõ rệt Đường nét đứt (V2) biểu thị sự vọt lố điện áp do bức xạ mặt trời, trong khi đường nét liền (V) cho thấy sự ổn định của điện áp khi áp dụng thuật toán PID cho khâu MPPT Việc sử dụng PID giúp nguồn nạp vào Ắc-quy ổn định và duy trì giá trị xung quanh cực đại, từ đó gia tăng tuổi thọ của Ắc-quy So sánh giữa điện áp có PID (V) và không có PID (V2) cho thấy độ vọt lố điện áp tăng theo thời gian, điều này có thể dẫn đến mất ổn định trong nguồn nạp vào Ắc-quy.
Khi sử dụng bộ điều khiển PID, đường đặc tính dòng điện ra của pin mặt trời cho thấy sự thay đổi điện áp khi nhiệt độ tăng từ 25°C vào buổi sáng lên 35°C vào buổi trưa.
Hình 4.19: Điện áp ra của Pin khi thay đổi nhiệt độ
Hình 4.20: Dòng điện thu được từ PV
Hình 4.21: Điện áp thu được từ PV
Hình 4.22: Dòng điện nạp vào Ắc - quy
Hình 4.23 Công suất phát ra từ PV và công suất thu được trên tải
Khi áp dụng bộ MPPT với thuật toán đề xuất, điện áp hoạt động của pin mặt trời luôn duy trì tại điểm MPP, nhờ vào khả năng điều khiển độ rộng xung của bộ MPPT cho mạch boost, giúp tối ưu hóa công suất thu được từ pin mặt trời.
Điện áp ngõ ra đạt giá trị cực đại khi sử dụng thuật toán PID, từ đó nâng cao hiệu suất nạp ắc-quy của bộ sạc Khi ắc-quy được nạp đầy, dòng điện nạp sẽ giảm về 0, mặc dù thời gian nạp thực tế có thể lâu hơn Trong mô phỏng, ắc-quy được nạp từ 90% trong khoảng thời gian 0,2 giây Đặc tính V-I thể hiện trong mô phỏng cho thấy sự phù hợp với đặc tính làm việc bình thường của ắc-quy.
TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PIN NĂNG
Để xác định tính hiệu quả kinh tế của hệ thống pin năng lượng mặt trời, cần nghiên cứu giá trị kinh tế và lợi ích môi trường Điều quan trọng đầu tiên là xem xét liệu việc sử dụng hệ thống điện mặt trời có mang lại lợi ích kinh tế hay chỉ đơn thuần có lợi cho môi trường Trên cơ sở đó, nghiên cứu sẽ tiến hành mô phỏng thử nghiệm để đưa ra kết luận.
5.1 Thực nghiệm mô hình hệ thống Pin năng lượng mặt trời
Bảng 5.1: Các thông số thiết kế mô hình Thành phần Thông số kỹ thuật Ghi chú Đèn đường
Thông số sản phẩm nhà sản xuất
Quang thông: 110-130Lm Điện áp đầu vào: 219 -223 V Nhiệt độ màu: Trắng :5500K~6500K Góc chiếu:120°
Nhiệt độ làm việc:-30°C~+50°C Vật liệu vỏ: Nhôm màu bạc, kính chịu lực Nhiệt độ làm việc ngoài trời: ≤55°
Tiêu chuẩn chống nước:IP65 Trọng lượng: 1,4 kg
Công suất: Poly solar panel 110W/17.5V x 2 tấm Thông số sản phẩm nhà Độ bền: 20-25 năm
Trọng lượng: 14,5 kg/tấm sản xuất
Kích thước: 52x126x6 cm Ắc - qui
Pin chì dung dịch axit: 100AH/12V
Thông số sản phẩm nhà sản xuất Ắc-quy chuyên dùng trong hệ thống NLMT Độ bền: 3-5 năm Kích thước: 35x20x25 cm Trọng lượng: 36kg
Bộ sạc và cảm biến ánh sáng
Tắt mở tự động, điều khiển ánh sáng, điều khiển tay
Bảo vệ pin, tự ngắt sạc Khi Pin đang được sạc, hệ thống sẽ điều chỉnh điến áp vào và tự sạc
Chức năng xả năng lượng tự động và tự sạc pin Chức năng điều chỉnh nhiệt độ
Ngăn chặn sạc pin khi đang sử dụng tấm pin mặt trời Chống tắt tự động và quá tải
Nguyên lý thiết kế Điện áp ngõ ra 12 – 15VAC Dạng sóng: sin chuẩn
Biến áp Điện áp/ dòng điện sơ cấp 12VAC/10A Nguyên lý thiết kế Điện áp/ dòng điện thứ cấp 215 – 223V/2A
Chiều cao cột: 5,5m , có tay vươn đèn
Thiết kế theo yêu cầu
Gía đỡ tấm pin Năng lượng mặt trời Cáp điện 7 lõi tròn 3,5mm
8-12 giờ/ngày, 4 giờ sạc đầy năng lượng, Bình Ắc quy sạc đầy điện, sử dụng được 2-3 ngày mưa
Hình 5.1 : Sơ đồ thiết kế của mô hình
Bộ nghịch lưu (Inverter) chuyển đổi điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC) với điện áp 220V/50Hz, sử dụng công nghệ Switching tiên tiến Nguồn điện một chiều thường được cung cấp từ ắc quy 12V, 24V hoặc 48V Sản phẩm có hai dòng chính với nhiều mức công suất khác nhau để đáp ứng nhu cầu sử dụng.
Dạng sóng Sin mô phỏng (modified sine wave) là lựa chọn tiết kiệm và nhỏ gọn, thường được sử dụng cho các thiết bị như máy vi tính, đèn compact, TV, đầu máy DVD, CD và MP3 Tuy nhiên, nó không phù hợp với các thiết bị có tính cảm kháng như quạt và motor.
Dạng sóng Sin thực (True/Pure sine wave) có đặc điểm giống hệt như điện lưới, cho phép sử dụng hiệu quả với mọi thiết bị điện Tuy nhiên, giá thành của sản phẩm này thường cao hơn so với dạng Sin mô phỏng.
Sơ đồ nguyên lý mạch Inverter
Hình 5.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch Inverter Linh kiện trong mạch:
IC PIC16F684, IC 4081, IC IR2101,
Transitor hiệu ứng trường (mosfet) IRF3205
Tụ không phân cực 225/400VAC
Biến áp 8VAC/220VAC công suất 200W
5.1.3 Hình ảnh mô phỏng của mạch Inverter (hình 3D)
5.1.4 Mạch sạc Ắc - quy và cảm biến ánh sáng
Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp ắc-qui và cảm biến ánh sáng
Hình 5.3: Hình ảnh mô phỏng mạch inverter
Khi trời sáng, LDR dẫn điện khiến Q1 dẫn kép áp phân cực Q2 xuống mức thấp, làm cho Q2 ngưng dẫn Kết quả là relay RL1 không hút, dẫn đến việc tiếp điểm thường đóng của RL1 không cấp nguồn cho mạch sạc.
Khi trời tối, LDR ngừng dẫn, dẫn đến việc Q1 ngừng hoạt động Tuy nhiên, Q2 lại được phân cực thuận và tiếp tục dẫn, khiến RL1 hút tiếp điểm cấp nguồn cho mạch sạc ngắt, đồng thời tiếp điểm cấp nguồn điều khiển Inverter cũng đóng lại.
Nguyên lý hoạt động của mạch PIC 12F857 bắt đầu khi nguồn được cấp cho mạch, nó sẽ dò áp của Ắc - quy qua cầu phân áp gồm điện trở 47K và 8K2 Nếu điện áp Ắc - quy dưới 20V, PIC 12F857 sẽ phát ra mức cao, làm cho Q3 dẫn, và Relay sẽ đóng lại, cho phép nguồn nạp từ Pin vào Ắc - quy.
Do điện áp từ pin năng lượng mặt trời không ổn định, bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh áp suất MPP Khi điện áp sau khi đóng relay chênh lệch nhỏ hơn 1V, relay sẽ tự động ngắt Tuy nhiên, nếu điện áp chênh lệch lớn hơn 1V, IC sẽ giữ relay cố định để tối đa hóa dòng nạp.
Khi Ắc - quy đầy, IC dò được áp dao động khoảng 21 V thì relay RL1 ngắt quá trình nạp
Đèn LED D2, D3, D4 trên thiết bị hiển thị trạng thái của ắc quy Cụ thể, đèn D1 sáng cho biết ắc quy đang cạn, trong khi D2 sáng cho thấy ắc quy ở mức trung bình cho phép sử dụng hoặc nạp thêm Đèn D3 sáng khi ắc quy đã đầy và quá trình nạp sẽ ngừng lại.
Hình ảnh mô phỏng mạch (hình 3D)
Hình 5.5: Mạch sạc ắc-qui và cảm biến ánh sáng
5.1.5 Tải đèn đường (tải AC)
Nghiên cứu chọn đèn đường led để sử dụng hệ thống vì:
- Đèn led đáp ứng nhanh, không có quá trình quá độ
- Tiết kiệm điện năng hơn 70%-80%
Đèn có tuổi thọ lên đến 50,000 giờ sử dụng, tương đương với 17 năm nếu chiếu sáng liên tục 8 giờ mỗi ngày Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện sử dụng.
- Có thể phát sáng trong điều kiện nhiệt độ lạnh
- Chất lượng ánh sáng tốt, hiệu suất phát sáng cao
- Mẫu mã đẹp, trang trọng
5.1.6 Nguyên lý vận hành hệ thống
Hệ thống chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời sử dụng điều khiển tự động hoặc bằng tay
Khi ánh sáng đủ để tấm pin năng lượng tạo ra điện áp và dòng điện phù hợp, mạch nạp sẽ tự động đóng rơle để cung cấp điện từ tấm pin cho ắc-quy Khi ắc-quy đã đầy hoặc điện áp vượt quá giá trị cài đặt trong IC của mạch, mạch nạp sẽ ngăn không cho nạp thêm để tránh hư hỏng ắc-quy.
Khi ánh sáng mặt trời tắt vào buổi chiều hoặc tối, cảm biến ánh sáng (CDS) sẽ phát hiện sự thay đổi này và gửi tín hiệu kích hoạt cho mạch Inverter, cho phép nó hoạt động và lấy nguồn điện một chiều từ ắc quy.
Quy trình nghịch lưu được sử dụng để tạo ra điện áp xoay chiều 24V, sau đó dòng điện này được đưa vào máy biến áp để chuyển đổi thành 220V, cung cấp cho tải là đèn đường LED 100W Mạch hoạt động ổn định cho đến khi trời sáng, trong khi quá trình nạp ắc quy vẫn tiếp tục diễn ra.
Hệ thống được trang bị chế độ điều khiển tay, cho phép người sử dụng bật - tắt mạch nạp ắc-quy hoặc đèn thông qua các công tắc thiết kế trên mạch Tuy nhiên, cần hạn chế sử dụng chế độ này để tránh tình trạng ắc-quy bị nạp quá mức hoặc cạn kiệt do đèn hoạt động lâu, có thể gây hư hỏng cho ắc-quy và toàn bộ hệ thống Chế độ điều khiển tay nên được sử dụng trong các trường hợp cần thiết như tham quan, đo kiểm tra hoặc học tập cho sinh viên.
Hình 5.5: Các nút nhấn điều khiển tay trên mạch
5.2 So sánh điện NLMT và điện lưới
Bảng 5.2: So sánh điện NLMT và điện lưới
STT Nội dung HT điện NLMT độc lập HT điện lưới
Tấm pin NLMT- Bộ sạc; Ắc quy; Bộ nghịch lưu
Nhà máy điện, lưới điện, trạm biến áp…
2 Hiệu quả về tiết kiệm năng lượng
Cao, không sử dụng nguồn bên ngoài
Phải cân bằng giữa điện năng sản xuất và điện nưng tiêu thụ
3 Giá thành đầu tư Chi phí cao do Ắc Quy giới hạn tải tiêu thụ
Chi phí thấp Không giới hạn tải tiêu thụ
Hệ thống điện thường gặp khó khăn do nguồn điện bị hạn chế về công suất, cùng với việc ắc quy có chi phí cao và cần phải thay thế sau 5 năm Tuy nhiên, việc đầu tư cho hệ thống này chỉ cần thực hiện một lần.
Phải trả tiền điện hàng tháng
5 Thời gian hoàn vốn Dài – thấp Không có
Thích hợp cho mọi nơi, thuận tiện cho vùng chưa có điện lưới
Thích hợp cho thuận tiện về vị trí địa lý
7 Dự phòng sự cố mất điện Không lo sự cố mất điện Thấp
8 Chi phí bảo trì- bảo dưỡng
Cao - Ắc quy mau hỏng nếu không được nạp đầy Trung bình
9 Tính ổn định Bộ điều khiển PID Cao
10 An toàn An toàn điện cao Có nhiều sự cố
5.3 Tính chọn công suất mạch Inverter và Ắc - quy phù hợp với tải