(Đồ án hcmute) mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc mppt cho ắc quy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI VÀ MẠCH SẠC MPPT CHO ẮC QUY GVHD: LÊ THANH LÂM SVTH: LÊ TRUNG HIẾU MSSV: 15142029 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2019 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI VÀ MẠCH SẠC MPPT CHO ẮC QUY SVTH: MSSV: Khóa : Ngành: GVHD: LÊ TRUNG HIẾU 15142029 2015 -2019 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Th.S LÊ THANH LÂM Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Trung Hiếu MSSV: 15142029 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Lớp: 15142CL2B Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thanh Lâm ĐT: 0988922597 Ngày nhận đề tài: 04/03/2019 Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Phạm Quang Huy- Lê Cảnh Trung, Lập trình điều khiển với ARDUINO, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật - Đặng Đình Thống (2008), Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật - Hoàng Ngọc Văn (2010), Giáo trình Điện Tử Công Suất , trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh Nội dung thực đề tài: - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Xây dựng thuật toán, lưu đồ giải thuật có thể điều khiển được pin quay theo hướng mặt trời - Nghiên cứu đặt tuyến của pin mặt trời, từ đó thiết kế mạch MPPT - Nghiên cứu giải thuật MPPT kết hợp với chuyển đổi lượng DC/DC từ đó thiết kế và thi công thực tế - Đánh giá toàn bài luận văn Từ đó có hướng phát triển cho đề tài Sản phẩm: - Mô hình ứng dụng pin lượng mặt trời sử dụng tưới tiêu nông nghiệp - Quyển báo cáo đề tài TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i an ii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2019 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Lê Trung Hiếu MSSV: 15142029 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đề tài: Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy Họ và tên Giáo viên phản biện: Ts.Nguyễn Phan Thanh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: - Giải pháp đưa khơng có tính - Nội dung đồ án đầy đủ, ở mức Khá - Phương pháp nghiên cứu phù hợp Ưu điểm: - Tính ứng dụng Cao - Đồ án có thảm khảo nguồn khác có trích dẫn đầy đủ Khuyết điểm: - Cần chỉnh sửa Đề nghị cho bảo vệ hay không? - Được bảo vệ Đánh giá loại: - Đồ án trình bày đạt yêu cầu, ở mức Trung bình Điểm: _ (Bằng chữ: _) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2019 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii an LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp đề tài: ”Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy” Trước tiên em tên là Lê Trung Hiếu xin trân thành cảm ơn Th.S Lê Thanh Lâm: thầy đã định hướng, nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành ý tưởng, truyền đạt kiến thức cùng kinh nghiệm quý báo quan tâm đôn đốc, giảm sát chỉ đạo cho nhóm suốt trình thực Sau đó là Thầy Cô khoa Điện- Điện tử và Thầy Cô khoa Chất lượng cao đã trau dồi cho em vốn kiến thức chuyên môn cho chúng em suốt trình học tập trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Trong suốt thời gian làm đồ án, với sự cố gắn làm việc miệt mài, chăm chỉ của thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô và sự đóng góp ý kiến của toàn thể bạn lớp, em đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp được giao trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Do hạn chế trình độ cũng kinh nghiệm, chắc chắn rằng đồ án sẽ còn nhiều điểm thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng nhiệt tình từ quý thầy cô và bạn để em có thể cải tiến thêm, có thêm nhiều ý tưởng mới, đề tài nghiên cứu này không chỉ giới hạn là đề tài hoàn thành khóa luận tốt nghiệp mà nó còn có thể áp dụng thực tiển đời sống Một lần em xin chân thành cảm ơn tất Qúy Thầy Cô Khoa Điện-Điện tử và Khoa Chất Lượng Cao giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN! TP.Hồ Chí Minh, ngày……, tháng 7, năm 2019 Thực hiện: LÊ TRUNG HIẾU iv an TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài này mang tính thực tiễn áp dụng kiến thức đã học trường để áp dụng vào sống thực tế Đề tài sẽ sinh viên thực hiểu rõ thêm cấu và nguyên lý làm việc thực tiễn cũng trình hoạt động của pin mặt trời biến đổi quan thành điện Về mặt thực tiễn, dựa vào nguyên lí đó chúng ta có thể áp dụng vào thức tế để phục cho sản xuất và sinh hoạt hằng ngày ví dụ: chiếu sáng, điều khiển động cơ, Cho nên với đề tài :”Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy” Em thực đề tài đã cố gắng hoàn thành phần sau :  Xây dựng mơ hình điều hướng pin mặt trời Gồm có :  Thiết kế và thi cơng phần khung khí đỡ pin  Điều khiển quay pin mặt trời bằng Arduino  Sử dụng Arduino để lập trình mạch sạc MPPT cho ắc quy  Chế độ sạc cho ắc quy dùng mạch buck  Dùng mạch chuyển đổi DC/DC để khuếch đại công suất điều khiển động  Thiết kế giao diện và điều khiển, giám sát thông qua màng hình LCD, sử dụng phần mềm Arduino để viết chương trình và thiết kế mạch sử dụng phần mềm Altium v an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪNError! Bookmark not defined.ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Tầm quan trọng đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .2 1.5 Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát lượng mặt trời .3 2.1.1 Cấu tạo của pin lượng mặt trời .5 2.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 2.1.3 Các ứng dụng thực tiễn của pin mặt trời 2.2 Driver L298 .11 2.2.1 Cấu tạo của Driver L298 11 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Driver L298 12 2.3 Board điều khiển Arduino UNO .13 2.4 Động DC 15 2.4.1 Động DC điều hướng pin mặt trời 15 2.4.2 Động bơm DC 24V .15 2.5 Màn hình LCD 20x4 16 2.6 Ắc quy .18 2.7 Mạch giảm áp LM2596 .19 vi an 2.8 Phần mềm Arduino 19 2.9 Phần thiết kế Altium .21 CHƯƠNG 3: 22 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI 22 3.1 Phần cứng của mô hình điều hướng pin mặt trời 22 3.1.1 Phần khí 22 3.1.2 Phần truyền động 22 3.1.3 Phần điều khiển 23 3.1.3.1 Mạch quang trở 24 3.1.3.2 Cảm biến quang trở lắp mô hình .25 3.2 Phương pháp điều hướng 26 3.2.1 Kết nối phần cứng 26 3.2.2 Lưu đồ điều hướng .27 CHƯƠNG 4: 30 THIẾT KẾ MẠCH SẠC MPPT VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 30 4.1 Phương pháp điều khiển sạc MPPT 30 4.1.1 Tác dụng của mạch sạc lượng mặt trời .30 4.1.2 Phương pháp sạc MPPT .30 4.2 Thiết kế mạch diều khiển sạc ắc quy MPPT .32 4.2.1 Mạch sạc MPPT Buck converter 33 4.2.1.1 Phương pháp dò điểm làm việc cực đại .33 4.2.1.2 Tính tốn thiết kế mạch sạc Buck 36 4.2.2 Vẽ mạch sạc MPPT Altium 40 4.2.3 Thế kế mạch Boost converter 41 4.2.3.1 Giới thiệu 41 4.2.3.2 Tín tốn chọn linh kiện 43 4.2.4 Vẽ mạch Boost Altium .43 CHƯƠNG 5: 45 KẾT QUẢ THI CƠNG MƠ HÌNH 45 5.1 Hình ảnh mô hình sau hoàn thành 45 5.2 Kết thực nghiệm 47 CHƯƠNG 6: 49 vii an KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49 6.1 Kết luận .49 6.2 Các kết đạt được 49 6.3 Các hạn chế của đề tài .49 6.4 Hướng phát triển .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 viii an 𝐿= (VIN(MAX) −VOUT ).D fS ∆IL =V (21−18).0,78 10×103 0,875 = 0,267μH (4.8) Tính giá trị tụ điện ngõ C: Chọn ∆𝑉0 =20Mv 𝐶0 = ∆𝐼𝐿 8.𝑓𝑆 ∆𝑉0 = 0,875 8.10×103 20×10−3 = 547𝜇𝐹 (4.9) Chọn tụ có điện dung C>= 547𝜇𝐹 Tính toán chọn Diode: 𝐼𝐹 ≥ 𝐼𝑂𝑈𝑇 (1 − 𝐷 ) = 2.5 (1 − 𝑂, 78) = 0,572A (4.10) VRRM>=21.5V PD>=VF.IF=0,752.21=17W Tính tốn chọn Mosfet: UDS>=120%VIN=1,2.21.5=25,8V IQ>=U0/R=I0=2.5A Phần điều khiển: Đo dòng điện: Để đo dòng điện ta sử dụng chân AN1 của vi điều khiển Để lấy tín hiệu dòng điện và giao tiếp với vi điều khiển, sử dụng cảm biến ACS712 5A Cảm biến dòng này là IC cảm biến dòng tuyến tính dựa hiệu ứng Hall ACS xuất tín hiệu analog VOUT biến đởi tún tính theo sự thay đởi của dòng điện được lấy từ mẫu thứ cấp DC(hoặc AC) phạm vi cho Hình 4.9: Cảm biến ACS712_5A 37 an      Đặt điểm nổi bật: Thời gian tăng của đầu để áp ứng đầu vào là 5𝜇s Điện trở dây dẫn là 1,2MΩ Nguồn điện vận hành là 5V Độ nhạy đầu từ 63-190mV/A Điện áp cực kỳ ổn định Bảng 4.1: Thông số của cảm biến đo dòng ACS712_5A Đường tính hiệu analog có tín hiệu thấp Thời gian chuyển đởi 5𝜇s Điện trở 1,2MΩ Sử dụng nguồn điện 5V Độ nhạy đầu 63-190mV/A Nhiệt độ hoạt động -40 - 85℃ Điện áp cách ly tối đa 2100V (RMS) Độ nhạy loại module  ACS 712-05B(5Ampe) 180-190mV/A  ACS 712-20B(20Ampe) 96-104mV/A  ACS 712-30B(30Ampe) 64-68mV/A Hình 4.10: sơ đồ kết nối của ACS712_5A Cách sử dụng: Khi đó DC phải mắc tải nối tiếp IP+ và IP- đúng chiều, dòng điện từ IP+ đến IP- để VOUT mức điện thế 2.5V-5V tương ứng dòng là 0-5A, nếu mắc ngược điện thế sẽ là 2,5V đến 0V tương ứng dòng là IP(Chưa có tải mắc nối tiếp với domino), thì VOUT=2,5V 38 an Khi dòng IP(dòng của tải) bằng 5A thì VOUT=5V, VOUT sẽ tuyến tính với dòng IP, khoảng 2,5V đến 5V tương ứng dòng từ đến 5A.0 đến -5A Cấp nguồn 5V cho module chưa có dòng IC sạc: Hình 4.11: IC IR2104 IC này có nhiệm vụ kích mosfet để kích cho mạch buck hoạt động để sạc cho ắc quy Bảng 4.2: Thông số của IC IR2104 39 an Lưu đờ điều khiển: Hình 4.12: Lưu đồ điều khiển mạch Buck MPPT 4.2.2 Vẽ mạch sạc MPPT Altium 40 an Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch Buck MPPT Hình 4.14: Sơ đồ mạch in Buck MPPT Hình 4.15: Mạch sạc MPPT hoàn thành 4.2.3 Thế kế mạch Boost converter 4.2.3.1 Giới thiệu Bộ biến đổi Boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Ở điều kiện 41 an làm việc bình thường, điện áp ngõ có giá trị lớn điện áp ngõ vào, đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch điện áp ngõ và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi diode Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ có giá trị đủ lớn để dao động điện áp ngõ nằm giới hạn cho phép Hình 4.16: Sơ đồ ngun lí mạch Boost Hình 4.17: Dạng sóng dòng điện mạch Boost Giống Buck, hoạt động của Boost được thực qua cuộn kháng L Khóa K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dịng qua (Ton) cuộn kháng tích lượng, K đóng (Toff) cuộn kháng giải phóng lượng qua điôt tới tải V1  V0  L dI L dt (4.11) Mạch này tăng điện áp võng phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn chiều Khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp được tính theo: Vout  Vin 1 D (4.12) Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo điện áp của tải Vo Nguyên lí mạch khuyếch đại DC/DC điều khiển động cơ: Mạch Boost lấy nguồn 12V DC từ ắc quy từ đó boost lên 24V DC để điều khiển máy bơm DC 42 an 4.2.3.2 Tín toán chọn linh kiện Yêu cầu ứng dụng: - Điện áp ngõ vào pin: 8V~21,6V - Dòng điện ngõ max mong muốn: 5A - Điện áp ngõ r among muốn: 24V Bảng 4.3: Thơng số tính tốn linh kiện mạch boost 4.2.4 Vẽ mạch Boost Altium Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Hình 4.19: Sơ đồ mạch in Boost 43 an Hình 4.20: Mạch Boost hoàn thành Hình 4.21: Mạ ch điề u khiể n hoà n chỉnh 44 an CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THI CƠNG MƠ HÌNH 5.1 Hình ảnh mơ hình sau hồn thành Sau q trình tính tốn, thiết kế và thi công em đã hoàn thiện mô hình theo u cầu đặt của đề tài: Hình 5.1: Mơ hình hoàn thiện 45 an Hình 5.2: Module mạch sạc và module điều hướng được lắp lên tủ Hình 5.3: Tởng thể mơ hình từ phía sau 46 an Hình 5.4: Mơ hình nhìn từ hai phía Hình 5.5: Tổng thể mô hình hoàn thiện 5.2 Kết quả thực nghiệm Trong trường hợp bức xạ mặt trời pin 1000 W/m2, kết thực thi mối liên hệ công suất ngõ và điện áp pin được thể 47 an Qua hình có thể nhận thấy điểm GMPP đạt được mức điện áp 19,27V có cơng suất cực đại lúc 39W Hình 5.6: Công suất và điện áp PV Từ đó: Bảng 5.1 Tởng hợp so sánh lý thút thuật tốn tìm GMPPT được đề xuất luận văn GMPPT đề Lý thuyết Hiệu suất xuất STT Trường hợp của Vmax Pmax Vmax Pmax trình (%) (V) (W) (V) (W) 01 Bức xạ 1000-1000-1000W/m2 22.2 40 21.9 39 98.7 02 Bức xạ 1000-1000-400W/m2 19,5 39 19.2 38.2 99.6 03 Bức xạ 250-750-400W/m2 19.2 38.7 19 36.5 99.5 04 Bức xạ 1000-400-750W/m2 18,9 37 18,7 25 99.8 48 an CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Đề tài :”Mô hình điều hướng pin mặt trời và mạch sạc MPPT cho ắc quy” Là mơ hình thực tế Phần quan trọng của mơ hình xây dựng và điều khiển để mô hình điều hướng pin nhận được lượng bức xạ lớn và ứng dụng được vào sản xuất, chăn nuôi Thiết kế được mạch sạc MPPT, mạch boost điều khiển động cơ, xây dựng được tài liệu hướng dẫn cho sinh viên cần tìm hiểu lượng tái tạo Là tiền đề cho hướng phát triển lượng tái tạo phụ vụ tưới tiêu thúc đẩy sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, đề tài áp dụng thực tế cần xem xét đến kinh phí xây dựng việc thi cơng mơ hình đòi hỏi kinh phí cao 6.2 Các kết quả đạt được - Xây dựng được mô hình khí mơ tả hoạt động điều hướng pin mặt trời - Thiết kế và gia công mạch sạc và mạch boost - Ứng dụng được vào tưới tiêu trồng trọt - Xây dựng thuật toán lập trình cho mô hình - Thân thiện với người sử dụng - Góp phần vào việc thúc đẩy phát triền nguồn lượng mặt trời - Thiết lập được giải thuật: tìm được điểm công suất cực đại cảu pin mặt trời - Điều khiển mô hình bằng Arduino - Giám sát thông số của pin mặt trời và ắc quy LCD - Giúp người tiếp cận tốt nguồn lượng tái tạo 6.3 Các hạn chế của đề tài - Điều khiển xoay pin chưa được xác, giải thuật chưa đạt hiệu cao - Điều khiển động chỉ công suất bé - Chưa điều khiển để biến đổi DC/AC 6.4 Hướng phát triển Đề tài có thể mở rộng thêm, cải tiến phát triển để có thể ứng dụng tốt thực tế - Nghiên cứu giải thuật tốt để hệ thống hoạt động xác và hiệu - Đầu tư mô hình với công suất lớn để có thể ứng dụng được nhiều lĩnh vực khác công nghiệp, nông nghiệp - Xây dựng mô hình có khả chịu được khắc nghiệt của thời tiết, bền bỉ và bảo trì bảo dưỡng 49 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Phạm Quang Huy- Lê Cảnh Trung, Lập trình điều khiển với ARDUINO, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật [2] Phạm Quang Huy- Nguyễn Trọng Hiếu, Vi điều khiển ứng dụng ARDUINO dành cho người tự học, Nhà Xuất Bản Bách Khoa Hà Nội [3] Đặng Đình Thống (2008), Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật [4] Hoàng Ngọc Văn (2010), Giáo trình Điện Tử Công Suất , trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh 50 an S an K L 0 ... 38 Hình 4.11: IC IR2104 39 Hình 4.12: Lưu đồ điều khiển mạch Buck MPPT .40 Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch Buck MPPT 41 Hình 4.14: Sơ đồ mạch in Buck MPPT. .. khiển sạc ắc quy MPPT Sơ đồ khối của mạch cơng suất sau: Hình 4.3: Sơ đồ khối điều khiển sạc MPPT Mạch Buck MPPT có chức diều khiển sạc ắc quy để nhận được lượng lớn Mạch Boost Converter... vì thế pin mặt Trời thu được lượng bức xạ tối đa được Do đó việc điều hướng trục sẽ giúp pin vuông góc với hướng bức xạ mặt trời lớn - Sử dụng mạch sạc MPPT để sạc cho ắc quy Do