ĐỒ ÁN THIẾT kế và THI CÔNG hệ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

Đối với loài người, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô cùng vô tận và quý báu. Chúng ta đã biết tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này dựa trên các tấm pin mặt trời để tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ cho lợi ích cá nhân (hệ thống nước nóng, phương tiện đi lại, hệ thống đèn chiếu sáng, hệ thống điện trong dân dụng…). Hiệu suất của tấm pin quang điện hiện nay chỉ đạt được tối đa là 17,6% so với lượng nhiệt mà nó nhận được từ mặt trời. Tuy nhiên công việc nâng cao hiệu suất của nó vẫn luôn đang diễn ra mạnh mẽ. Do giá thành đắt đỏ và hiệu suất không cao nên pin quang điện chưa được sự quan tâm nhiều ở các nước đang phát triển. Vì vậy, vấn đề tạo ra các thiết bị nhằm đạt được điểm công suất tối ưu của tấm pin là việc cần thiết. Trước đây, khi tấm pin còn ở hiệu suất thấp thì nhà sản xuất phải cần một số lượng lớn và tiêu tốn chi phí vật tư mà hiệu quả mang lại thì không đáng kể. Vì vậy, pin mặt trời trước đây được bán với giá thành rất đắt đỏ và không là giải pháp kinh tế của người tiêu dùng. Ngày nay với công nghệ hiện đại hơn, những tấm pin hiệu suất cao cũng đã được sản xuất, nhưng với chi phí khá cao, do đó việc đầu tư nhiều tấm pin sản xuất ra điện năng phục vụ cho nhu cầu cuộc sống cũng khó khăn. Cần đưa ra những giải pháp tiết kiệm chi phí đầu tư tấm pin năng lượng mặt trời là khả thi. Ứng dụng những nguyên lý của điện tử cơ bản, và công nghệ vi điều khiển đáp ứng thực hiện nâng cao hiệu suất thu năng lượng của tấm pin năng lượng mặt trời Xuất phát từ ý tưởng đó, nhóm chúng em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài : “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” nhằm phát triển hệ thống nguồn năng lượng sạch, tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng đầu tư hệ thống điện năng lượng mặt trời.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ chấm phản biện: ………

Đồ án tốt nghiệp được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

Ngày… tháng…….năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: MSSV:

MSSV:

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

Khóa học: 2007 – 2012 Lớp: 07101BD I TÊN ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: .

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS NGUYỄN ĐÌNH PHÚ

Ngày ….tháng… năm 2013 Ngày….tháng….năm 2013

Cán bộ hướng dẫn Chủ nhiệm bộ môn

ThS Nguyễn Đình Phú ThS Nguyễn Đình Phú

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

- -

ĐHSPKT, Ngày….tháng…năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

ThS Nguyễn Đình Phú

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

- -

ĐHSPKT, Ngày….tháng…năm 2013

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

Phần A.GIỚI THIỆU v

LỜI MỞ ĐẦU vi

LỜI CẢM ƠN vii

Phần B NỘI DUNG 1

CHƯƠNG I DẪN NHẬP 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Nhiệm vụ của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 5

2.1 Giới thiệu về pin mặt trời 5

2.1.1 Định nghĩa 5

2.1.2 Tấm năng lượng mặt trời 6

2.2 Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời 7

2.2.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm môdun mặt trời 7

2.2.2 Ghép song song các môđun mặt trời 8

2.2.3 Hiện tượng “điểm nóng” 9

2.3 Hệ thống pin mặt trời 10

2.3.1 Hệ quang điện làm việc độc lập 11

2.3.2 Hệ quang điện làm việc với lưới 13

2.4 Phương pháp điều khiển MPPT .14

2.5 Bộ lưu giữ năng lượng 15

2.5.1 Các loại ắc quy 16

2.5.2 Đặc tính nạp của acquy 17

2.5.3 Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axit 19

2.6 Nguyên lý nạp năng lượng mặt trời 19

2.6.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 20

2.6.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly 21

2.6.3 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý cho bộ biến đổi DC-DC 23

2.6.4 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly Cuk 24

2.7 Hệ định hướng pin năng lượng mặt trời 27

2.7.1 Giới thiệu 27

2.7.2 Đặc điểm 27

2.7.3 Phương pháp thiết kế 28

2.7.4 Hiệu suất của hệ thống 32

2.7.5 Những nhược điểm của hệ thống định hướng 35

CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 36

3.1 Tổng quan về họ vi điều khiển AT89S52 36

3.2 Cấu trúc của vi điều khiển AT89S52 37

3.3 IC LM324N 42

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ THỰC THI 43

4.1 Thiết kế hệ thống 43

4.1.1 Động cơ DC 43

4.1.2 Mạch cầu H 44

4.1.3 Cảm biến và xử lý tín hiệu 45

4.2 Thiết kế mạch điều khiển: 48

4.3 Khối nguồn 49

CHƯƠNG V LƯU ĐỒ - CHƯƠNG TRÌNH 51

5.1 Sơ đồ khối 51

5.2 Sơ đồ mạch in 51

5.3 Lưu đồ 52

5.4 Chương trình 53

CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU-KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

6.1 Kết quả nghiên cứu 54

6.2 Kết luận và hướng phát triển 54

Phần C PHỤ LỤC 55

Tài liệu tham khảo 56

LIỆT KÊ HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời 3

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của pin mặt trời silic 6

Hình 2.2: Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời 8

Hình 2.3: Ghép song song hai môđun pin mặt trời 9

Hình 2.4: Điốt nối song song với môđun để bảo vệ môđun và dàn pin mặt trời 10

Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập 11

Hình 2.6: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 14

Hình 2.7 : Đặc tính nạp của acquy 17

Hình 2.8: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly 20

Hình 2.9 : Sơ đồ bộ biến đổi DC_DC cách ly 22

Hình 2.10 : Sơ đồ khối mạch nạp năng lượng mặt trời DC-DC Cuk 24

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC Cuk 24

Hình 2.12 : Tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM 25

Hình 2.13 : Bộ biến đổi ở hai trạng thái đóng/mở van .25

Hình 2.14 : Dòng điện và điện áp trên các cuộn dây 26

Hình 2.15: Hướng và góc mặt trời để điều khiển 28

Hình 2.16: Phương pháp đặt cảm biến nhận biết góc ánh sáng 30

Hình 2.17: (a): Dàn xoay 1 trục, (b): Dàn xoay 2 trục 31

Hình 2.18: So sánh mức nâng hiệu suất hoạt động có điều khiển 32

Hình 3.1: Sơ đồ chân AT89S52 36

Hình 3.2: IC LM324 41

Hình 3.3: Sơ đồ chân LM324N 41

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống định hướng pin mặt trời 43

Hình 4.2: Động cơ DC giảm tốc trục ngang 44

Hình 4.3: Mạch cầu H cơ bản 45

Hình 4.4: Xử lý tín hiệu dùng quang trở 46

Hình 4.5: Mạch so sánh điện áp trên hai LDR 47

Hình 4.6: Khối mạch so sánh 2 LDR trong mạch 48

Hình 4.7: Khối vi điều khiển AT89S52 49

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 50

Hình 5.1 Sơ đồ khối toàn mạch 51

Hình 5.2: Sơ đồ mạch in hoàn chỉnh 51

LIỆT KÊ BẢNG Trang Bảng 2.1: So sánh chỉ tiêu chất lượng của các topology cho bộ biến đổi DC-DC 23

Bảng 2.2: So sánh dòng điện giữa có định hướng và không có định hướng 34

Bảng 3.1: Chức năng chuyển đổi đặc biệt 38

Bảng 3.2: Các cờ ngắt 40

Bảng 3.3: Các địa chỉ ngắt 40

Phần A GIỚI THIỆU

LỜI MỞ ĐẦU

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như nănglượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn nănglượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đangthu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thànhnguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng nănglượng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu,không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn… Hiện naynăng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũngnhư trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường đểcấp nhiệt và điện

Một hệ pin mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm 2 loại: Hệpin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với lưới Tùy theo điềukiện về nhu cầu sử dụng và vị trí địa lý lắp đặt mà hệ nào được ứng dụng Trongkhả năng của mình, em chỉ chú trọng đến nghiên cứu các thành phần trong hệ thốngpin mặt trời làm việc độc lập

Một hệ pin mặt trời làm việc độc lập bao gồm: hệ thống hấp thụ ánh sáng làcác tấm pin mặt trời nối ghép lại với nhau, các bộ biến đổi điện tử công suất DC/DC

và DC/AC và hệ thống điều tiết và lưu trữ năng lượng là các thiết bị điều tiết sạc,bình ắc quy Mỗi một thành phần trong hệ pin mặt trời mang những nhiệm vụ cụ thểriêng biệt mang tính quyết định đến khả năng làm việc hiệu quả của hệ quang điện

đó Bộ biến đổi DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển tìm điểm công suất tối ưu đểlàm tăng hiệu quả làm việc của pin quang điện; ắc quy giúp dự trữ điện năng để duytrì hoạt động cho cả hệ thống vào ban đêm hay khi thời tiết âm u, nhiều mây mưa,

lúc cường độ bức xạ ánh sáng yếu không đủ phát ra điện năng; bộ biến đổi điệnnghịch lưu DC/AC chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc quy thành điện xoay chiều(110V, 220V) để cung cấp cho các thiết bị điện xoay chiều

Đồ án trình bày bao quát cả 1 hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy

đủ các thành phần cần thiết trong hệ Sau đó đồ án tập trung nghiên cứu sâu hơn vàonguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ DC/DC, phương pháp và thuật toánđiều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc của pin thay đổi dưới tác động củanhiệt độ thời tiết và so sánh nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụngcủa các thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin mặt trời được làm việc tối ưunhất

Ngoài ra hệ thống còn được điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời bámtheo vị trí hướng mặt trời để năng lượng thu nhận được là lớn nhất Trong quá trìnhthực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã củng cố được những kiến thức đã được học vàtiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiệm mới về pin mặt trời Trên tất cả

là em đã được học và rèn luyện được phương pháp làm việc, nghiên cứu một cáchchủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm Quátrình làm đồ án thực sự đã rất có ích cho em về nhiều mặt Đây là kết quả tổng kếtquá trình 5 năm học tập của em nhưng do kinh nghiệm thực tế của bản thân cònchưa nhiều nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, do đó cần phải có sự hướng dẫn,giúp đỡ của thầy giáo Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầyNGUYỄN ĐÌNH PHÚ đã hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ ántốt nghiệp nay

Sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Thiện Thanh KhangNguyễn Thị Ngọc Châu

LỜI CẢM ƠN

Kiến thức trong lĩnh vực điện tử vô cùng phong phú, mỗi lĩnh vực điều phục

vụ cho nhu cầu của cuộc sống và sinh hoạt Do đó việc trau dồi, bổ sung kiến thức

cả về lý thuyết lẫn thực tiễn rất cần cho sinh viên chuẩn bị tốt nghiệp ra trường.Thực hiện một đồ án tốt nghiệp sẽ giúp cho sinh viên trang bị thêm những kỹ năng

lý thuyết và thực hành từ đó có thể làm việc tốt nhất khi ra môi trường thực tế bênngoài Với kiến thức hạn hẹp được học trên ghế nhà trường và kỹ năng thực hànhchưa được tốt, nhưng với sự giúp đỡ tận tình, chỉ bảo của các thầy cô trong khoa đãgiúp đỡ cho em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp được giao

Trong đó, đặc biệt em xin chân thành cảm ơn sâu sắc nhất đến với thầyNguyễn Đình Phú trong thời gian vừa qua đã không ngại về thời gian và công sức

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều về kiến thức cũng như chuyên môn,giúp em hoàn thành tốt được đề tài Sản phẩm tuy chưa được tốt về mặt thẩm mỹ,chi phí làm ra sản phẩm còn quá cao nhưng đó cũng là công sức giữa thầy và tròcùng nhau hoàn thiện, giúp cho em hiểu để làm ra được một sản phẩm cần phải trảiqua nhiều lần nghiên cứu nữa thì sản phẩm mới đảm bảo được tốt nhất về kỹ thuậtcũng như làm thế nào để hạ giá thành sản phẩm mới đáp ứng tốt nhu cầu thực tiễn

Đồng thời em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đã tận tình dạy

dỗ em trong những năm học vừa qua đã giúp em có những kiến thức cơ sở để làm

đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đề tài Nguyễn Thiện Thanh Khang Nguyễn Thị Ngọc Châu

Phần B NỘI DUNG

CHƯƠNG I DẪN NHẬP

1.3 Lý do chọn đề tài

Đối với loài người, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô cùng vô tận vàquý báu Chúng ta đã biết tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này dựa trên các tấmpin mặt trời để tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ cho lợi ích cá nhân (hệ thốngnước nóng, phương tiện đi lại, hệ thống đèn chiếu sáng, hệ thống điện trong dândụng…) Hiệu suất của tấm pin quang điện hiện nay chỉ đạt được tối đa là 17,6% sovới lượng nhiệt mà nó nhận được từ mặt trời Tuy nhiên công việc nâng cao hiệusuất của nó vẫn luôn đang diễn ra mạnh mẽ Do giá thành đắt đỏ và hiệu suất khôngcao nên pin quang điện chưa được sự quan tâm nhiều ở các nước đang phát triển

Vì vậy, vấn đề tạo ra các thiết bị nhằm đạt được điểm công suất tối ưu của tấmpin là việc cần thiết Trước đây, khi tấm pin còn ở hiệu suất thấp thì nhà sản xuấtphải cần một số lượng lớn và tiêu tốn chi phí vật tư mà hiệu quả mang lại thì khôngđáng kể Vì vậy, pin mặt trời trước đây được bán với giá thành rất đắt đỏ và không

là giải pháp kinh tế của người tiêu dùng Ngày nay với công nghệ hiện đại hơn,những tấm pin hiệu suất cao cũng đã được sản xuất, nhưng với chi phí khá cao, do

đó việc đầu tư nhiều tấm pin sản xuất ra điện năng phục vụ cho nhu cầu cuộc sốngcũng khó khăn Cần đưa ra những giải pháp tiết kiệm chi phí đầu tư tấm pin nănglượng mặt trời là khả thi Ứng dụng những nguyên lý của điện tử cơ bản, và côngnghệ vi điều khiển đáp ứng thực hiện nâng cao hiệu suất thu năng lượng của tấmpin năng lượng mặt trời

Xuất phát từ ý tưởng đó, nhóm chúng em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài :

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” nhằm phát triển hệ thống nguồn năng lượng sạch, tiết kiệm

chi phí và nâng cao chất lượng đầu tư hệ thống điện năng lượng mặt trời

1.4 Nhiệm vụ của đề tài

Năng lượng mặt trời (NLMT) được khai thác chủ yếu hiện nay là biến đổitrực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện Các tế bào quang điện ghépvới nhau tạo thành Pin mặt trời Một trong những nhiệm vụ cơ bản được đặt ratrong khai thác nguồn NLMT là lưu trữ bởi lý do chính như sau:

(1) Nguồn NLMT không ổn định hoặc yếu vì vậy không đảm bảo cung cấp

đủ công suất để được biến đổi trực tiếp thành điện theo nhu cầu tiêu thụ

(2) Nguồn NLMT dư thừa có thể được tích trữ để sử dụng khi có nhu cầu.(3) Nâng cao hiệu suất nhận được năng lượng của pin mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời có sơ đồ khối cấu trúc sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời

Bộ nạp NLMT thực hiện quá trình điều tiết luồng năng lượng từ pin mặt trờidẫn vào acqui để tích trữ Sau đó bộ DC – DC sẽ biến đổi điện áp 48V thành 400V

và bộ DC – DC sẽ nghịch lưu ra thành điện áp 380V xoay chiều Bộ nạp NLMTnhằm tối ưu hóa quá trình nạp nhằm đảm bảo tích trữ được công suất lớn nhất

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong nghiên cứu thiết kế hệ thống nạp các vấn đề được quan tâm bao gồm:

 Mức điện áp của hệ acqui (thường ở các mức 12V, 24V, 48V), đầuvào là điện áp ra của pin mặt trời có dòng và áp thay đổi theo điềukiện chiếu sáng của mặt trời

 Acqui và các phương pháp phóng nạp theo nguyên tắc hoạt động củacông nghệ

 Cải thiện nâng cao hiệu suất thu NLMT bằng cách tự động thay đổihướng của pin mặt trời nhằm bám theo mặt trời để thu được hiệu suấtcao nhất

 Thời gian và các phương pháp nạp cho Acquy.

Trong đề tài này, nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất thu năng lượngcủa tấm pin năng lượng mặt trời Nội dung nghiên cứu được trình bày bao gồm cácphần chính như sau:

 Nghiên cứu thiết kế hệ thống định hướng pin năng lượng theo vị trímặt trời

 Khảo nghiệm, lấy số liệu và so sánh hiệu suất giữa hai trường hợp khi

hệ thống được đặt cố định và khi sử dụng thiết bị tự động định hướng

 Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất, mạch đảo chiều động cơ

 Viết lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho vi điều khiểnAT89S52

 Đánh giá hoạt động của mô hình

Phạm vi áp dụng

Sử dụng tấm pin năng lượng loại nhỏ 22W làm mô hình cho hệ thống và ápdụng các nguyên lý cơ bản của điện tử cơ bản để áp dụng thiết kế mạch điều khiểnđảo chiều động cơ

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Năng lượng chính là nguồn sống của mỗi quốc gia Do vậy, nhu cầu sử dụngnăng lượng ngày càng cao Năng lượng là nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống Nănglượng từ than, dầu…ngày càng khan hiếm Năng lượng nguyên tử thì rất nguy hiểm

Vì vậy, nhu cầu tìm ra nguồn năng lượng mới là cần thiết Trong đó, năng lượngmặt trời là năng lượng sạch và vô tận Tuy nhiên việc sử dụng nó để thay thế cácnguồn năng lượng đang sử dụng là hết sức khó khăn Nhưng trong tương lai sẽ được

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp nhận biết vị trí mặt trời, dùng quang trở nhằm đơngiản hóa chi phí thiết kế hệ thống

Thiết kế mạch điều khiển tấm pin năng lượng theo vị trí mặt trời

Nghiên cứu các bộ biến đổi DC-DC cấu trúc mạch Cuk để tạo ra giá trị điện

áp 48V nạp cho acquy

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới16% Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấmđơn thể này có các mặt trống ở góc nối các môdule

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội

và làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệusuất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bềmặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó

 Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đatinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhấttrong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon

Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫnloại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặtrộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin

quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ

có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bịphản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có cáccặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bướcsóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết.Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phíabán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cựcvào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điệnthế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ

2.1.2 Tấm năng lượng mặt trời

Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể gồm 36đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau Qua những tấm pin mặt trời, năng lượngmặt trời được chuyển hoá thành điện năng Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượngnhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nênnguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng Mỗi tấm pin mặt trời cócông suất khác nhau như: 20Wp, 22Wp, 50Wp, 55Wp, 80Wp, 140Wp, 190Wp,280Wp Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC Công suất và điện áp của hệthống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Nhiều tấm năng lượngmặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của pin mặt trời silic

trời Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơinắng và hướng trực tiếp đến mặt trời Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ởcác vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặttrái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếutố:

 Chất liệu bán dẫn làm pin

 Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

 Thời tiết khí hậu, mùa trong năm

 Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đãđảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nướcbiển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm

2.2 Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời

Như ta đã biết các môđun pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xácđịnh từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nốinhiều tấm môdun đó lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

 Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

 Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cảyêu cầu về điện áp và dòng điện

2.2.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm môdun mặt trời.

Giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau,các thông số dòng đoản mạch , thế hở mạch bằng nhau Giả sử cường độchiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi ghép nối tiếp các tấm môđun này ta

sẽ có:

Hình 2.2: Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời

I, P, V,… là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi, Pi… là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của môđun thứ i trong hệKhi tải có giá trị 0 < R < ∞, Các môđun làm việc như các máy phát tương đương.Đường đặc tính vôn – ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng củamỗi môđun

2.2.2 Ghép song song các môđun mặt trời.

Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tínhV-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc, thế hở mạch Voc bằng nhau.Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau

Hình 2.3: Ghép song song hai môđun pin mặt trời

2.2.3 Hiện tượng “điểm nóng”.

Xảy ra khi ta ghép nối các môđun không giống nhau, tức là khi các thông sốISC, VOC, POPT của các môđun pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếuhơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bịche nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàntoàn công suất điện do các tấm pin khoẻ hơn phát ra và làm cho công suất điệnmạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khoẻ

hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiệntượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới

sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ Đểtránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùngloại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn phảitránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày cónắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin và

có thể sử dụng các điốt bảo vệ

Hình 2.4: Điốt nối song song với môđun để bảo vệ môđun và dàn pin mặt trời.

Nhìn trên hình vẽ 1.8 giả sử pin Ci là pin yếu nhất được bảo vệ bằng điốtphân cực thuận chiều với dòng điện trong mạch mắc song song Trong trường hợp

hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động ở điều kiện như nhau thì dòngtrong mạch không qua điốt nên không có tổn hao năng lượng Khi có sự cố xảy ra,

vì một nguyên nhân nào đó mà pin Ci bị che và bị tăng nhiệt độ, điện trở của Cităng lên, lúc này một phần hay toàn bộ dòng điện sẽ rẽ qua Diốt để tránh gây hưhỏng cho Ci Thậm chí khi Ci bị hỏng hoàn toàn thì hệ vẫn có thể tiếp tục làm việc

2.3 Hệ thống pin mặt trời.

Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung được chia thành 2loại cơ bản:

 Hệ PV làm việc độc lập.

 Hệ PV làm việc với lưới

Hệ PV độc lập thường được sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lướiđiện không kéo đến được Sơ đồ khối của hệ này như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

Còn trong hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lướiđiện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng Trong hệ này, bộ biến đổiDC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp

2.3.1 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

 Các bộ biến đổi bán dẫn

Thành phần lưu giữ năng lượng.

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thểphục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm

Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sửdụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp đểbảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy

Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV.

Pin Mặt

Trời Bộ Biến Đổi DC/DC Ắc Quy Đổi DC/ACBộ Biến Tải Xoay Chiều

Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC/DC và bộ biến đổiDC/AC Bộ DC/DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất củapin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và

ắc quy Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo

vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC được sử dụngnhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗnhợp tăng giảm Boost – Buck Cả 3 loại DC/DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng

mở khóa điện tử theo một chu kỳ được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng.Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC được lựa chọn cho thích hợp

Khóa điện tử trong mạch DC/DC được điều khiển đóng cắt từng chu kỳ.Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thuật toán xác định điểm làmviệc tối ưu (MPPT– maximum power point tracking) để đảm bảo cho hệ quang điệnđược làm việc hiệu quả nhất Mạch vòng điều khiển và thuật toán MPPT sẽ đượctrình bày chi tiết ở chương 3.Bộ DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiềusang xoay chiều (110 hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho cácthiết bị xoay chiều Có nhiều kiểu bộ biến đổi DC/AC, chúng có thể làm việc cả haichế độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một chiều.Nhìn chung, bộ biến đổi DC/ AC trong hệ PV độc lập có thể làm việc ở mức điện

áp một chiều là 12VDC, 24VDC, 48VDC, 96VDC, 120VDC, 240 VDC tuỳ từnghệ

Bộ biến đổi dùng trong hệ PV độc lập có những đặc điểm sau:

 Điện áp ra hình Sin

 Điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép

 Bám sát được sự thay đổi của điện áp vào

 Điều chỉnh điện áp ra

 Hiệu quả cao đối với tải nhẹ

 Ít tạo ra sóng hài để tránh làm hư hại đến các thiết bị điện khác như tivi,tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị

 Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngắn trong trường hợp dòng khởiđộng lớn như của máy bơm…

 Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch….

 Dung lượng đặc tính

 Tổn hao không tải thấp

Các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong bộ biến đổi này là các MOSFET,IGBT MOSFET được sử dụng với trường hợp công suất lên tới 5kVA và điện áp là

96 VDC Chúng có ưu điểm là tổn hao công suất ít ở tần số cao Do có điện áp rơi

là 2 VDC Còn IGBT thường chỉ được sử dụng trong những hệ có điện áp trên 96VDC Hệ PV độc lập thường sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp 1 pha hoặc 3 pha

Bộ biến đổi DC/AC có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng củađiện áp đầu ra Có 3 dạng sóng chính là: dạng sóng Sin, giả sin, và sóng vuông,sóng bậc thang…Dạng sóng vuông, sóng bậc thang ngày nay không còn thông dụngnữa, không còn phù hợp với các thiết bị hiện đại trong khi giá thành bộ biến tần loạisóng giả sin và sóng sin ngày càng giảm Bộ biến tần cho dạng sóng giả Sin thườngphục vụ cho các thiết bị trong nhà như tivi, radio, lò vi sóng…

Các thiết bị điều khiển phức tạp khác như bộ sạc pin, phụ tùng trong động cơthay đổi tốc độ, máy in lase và bộ điều khiển nhiệt độ… vốn có làm việc không ổnđịnh Bộ biến đổi DC/AC dạng sóng giả Sin là sự lựa chọn rất kinh tế và đặc biệtphù hợp với hệ quang điện

Bộ biến đổi có dạng sóng ra hình Sin giống như dạng sóng của điện lưới nêntương thích và đáp ứng với hầu hết các loại tải Bộ biến đổi dạng sóng sin có giáthành lớn hơn bộ biến đổi dạng gần sin, nhưng chất lượng điện áp của bộ biến đổiloại này là một ưu điểm lớn, thậm chí bộ biến đổi loại này còn phù hợp với cả cácthiết bị điều khiển phức tạp và có làm việc không ổn định như bộ sạc pin, phụ tùngtrong động cơ thay đổi tốc độ, máy in lase và bộ điều khiển nhiệt độ…

Phương pháp điều khiển PWM được sử dụng để giúp bộ biến đổi tạo được đầu

ra có dạng Sin.Các loại bộ biến đổi DC/AC trong hệ pin mặt trời độc lập tùy từngtrường hợp có thể có sơ đồ dạng nửa cầu và dạng cầu 1 pha

Chương 2 sẽ trình bày chi tiết về các bộ biến đổi DC/AC này

2.3.2 Hệ quang điện làm việc với lưới.

Đây là hệ PV được kết nối với lưới điện Hệ thống này cho phép tự duy trìhoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời cũng có thể bơm phầnnăng lượng dư thừa vào lưới điện để bán Khi nguồn pin mặt trời (hay máy phát pinmặt trời) sinh ra nhiều năng lượng thì nguồn năng lượng dư thừa này sẽ đượcchuyển vào trong lưới điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắnghay mây mưa, máy phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng chophụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới Do đó hệ PV này có thể cần hoặc không cần ắcquy để dự trữ năng lượng Bộ biến đổi trong hệ này không chỉ giúp ổn định nguồnnăng lượng tạo bởi nguồn pin mặt trời mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng rakhỏi hệ quang điện phải đồng bộ với lưới Hệ quang điện mặt trời có thể trở thànhmột phần của lưới điện lớn Cấu trúc của hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ vàđặc tính phụ tải sử dụng Khi hệ quang điện được mắc với lưới, nguồn công suất cóhai chiều hướng Lưới sẽ hấp thụ nguồn điện mặt trời và sẽ cung cấp cho các thiết

bị tiêu thụ khi mà hệ PV không thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc banđêm Đây là hình thức đang được khuyến khích phát triển ở nhiều nơi trên thế giới

2.4 Phương pháp điều khiển MPPT.

MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làmviệc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiểnchu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC Phương pháp MPPT được sửdụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được ápdụng trong hệ quang điện làm việc với lưới MPPT bản chất là thiết bị điện tử côngsuất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồnpin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suấtlàm việc của hệ MPPT được ghép nối với bộ biến

đổi DC/DC và một bộ điều khiển

PV

Module

Bộ Biến Đổi

V sence

I sence

PWM Signal

Hình 2.6: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống Tuynhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưuđiểm hơn bộ điều khiển tương tự Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lập trìnhđược vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn Nó dễ dàng

mã hoá biểu thức, ví dụ x = y x z, hơn là thiết kế một mạch điện tương tự để thựchiện cùng một biểu thức đó Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điều khiển sốđược thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự Mặt khác bộ điềukhiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạtđộng rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính Vì vậy, bộ điều khiển số có trạngthái ổn định lâu hơn Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộcvào dung sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi màcác thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được Bộ điều khiển loại nàycho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiềunhiệm vụ khác nhau Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/Dnhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bịchỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ

Vì những ưu điểm của bộ điều khiển số mà đồ án sẽ chọn phương pháp điềukhiển số cho MPPT Việc thiết kế và mô phỏng MPPT sẽ được thực hiện ở chương

3 với bộ vi xử lý hoặc DSP và các thuật toán thực hiện

2.5 Bộ lưu giữ năng lượng.

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thểphục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm.

Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sửdụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy là thiết bị điện hoá, tồn trữ dưới dạnghoá năng và khi có phụ tải sử dụng đấu nối vào, hoá năng được giải phóng dướidạng điện năng Bộ ăc quy giúp lưu giữ điện năng chưa sử dụng và sẽ cung cấp cho

bộ biến đổi DC/AC trong trường hợp khí hậu xấu, trời nhiều mây, mưa không cungcấp đủ ánh sáng Bộ ắc quy cũng đồng thời trực tiếp cung cấp điện một chiều chocác thiết bị sử dụng điện một chiều Cấu tạo của ắc quy gồm hai điện cực khác nhauđặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách Do điện thế của mỗi điện cựcđối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối vớimạch ngoài có thể sinh ra dòng điện Có hai loại ắc quy thông dụng là ắc quy chì -axit và ắc quy kiềm

2.5.1 Các loại ắc quy.

 Ắc quy chì - axit

Ắc quy chì - axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực âm làchì xốp Pb, dung dịch dùng là axit sulfuric H2SO4 Khi nối cực ắc quy với mạch tảidung dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4 Trong quá trình làm việc của ắc quy,

có nhiều phản ứng hoá học xảy ra Trong quá trình nạp, sunfat chì ở cực dương biếnđổi thành chì điôxit Còn khi ắc quy phóng hết điện, các chất tích cực trên điện cựcdương PbO2 và trên điện cực âm Pb biến thành PbSO4, Còn axit sunfuric H2SO4biến hết thành nước Trong một ắc quy được nạp đến đầy dung lượng, thôngthường dung dịch chứa khoảng 36% tỉ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại lànước

Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặctrưng, là một trong những thông số quan trọng của ắc quy, xác định điểm nhiệt độhoá rắn của dung dịch khi ắc quy phóng hết Điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịchlại xác định khả năng làm việc của ắc quy tại các môi trường nhiệt độ khác nhau ởmôi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ trọng đặc trưng của ắc quy phải cao.

Tỷ trọng đặc trưng khi ắc quy nạp đầy thường trong phạm vi 1,250 đến 1,280 ởnhiệt độ 27oC, nghĩa là mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến 1,28 lần Khi

ắc quy phóng hết điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần về 1 Điện áp định mức củamột ngăn ắc quy chì là khoảng 2,1 V Loại ắc quy này có tuổi thọ cao, dung lượnglớn Ắc quy chì - axit được sử dụng phổ biến trong hệ quang điện làm việc độc lập

vì nó có giá thành hợp lý, tính tiện dụng và khả năng lưu giữ điện năng từ vài tiếngđồng hồ đến vài ngày

 Ắc quy kiềm

Ví dụ loại nikel – cadmium, sử dụng dung dịch là KOH, điện cực dương làhyđroxit nikel và cực âm là cadmium Cd Khi phóng điện hyđroxit nikel chuyểnthành Ni(OH)2 và cadmium thành Cd(OH)2 Mật độ chất điện ly không thay đổi, vìvậy điểm hoá rắn rất thấp Tuy nhiên loại ắc quy này có giá thành cao hơn loại ắcquy chì - axit.Điện áp định mức của một ngăn ắc quy kiềm là 1,2 V Điện áp trêncác ngăn ắc quy kiềm được giữ ổn định cho đến khi ngăn phóng điện gần hết, khi

đó điện áp trên ngăn sẽ giảm đột ngột ắc quy nikel – cadmium có thể chấp nhậndòng nạp lớn có giá trị bằng dung lượng của ắc quy và có thể được nạp tiếp tục lâudài với dòng nạp có giá trị đến 1/15 giá trị dung lượng của ắc quy

2.5.2 Đặc tính nạp của acquy

Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điệnđộng, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số

dòng nạp không thay đổi

Thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 2 – 3h, trong suốt thời gian đó, hiệuđiện thế trên hai bản cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân luôn luôn nhỏhơn dung lượng cần thiết để nạp cho no acquy.

Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy giảm xuống và ổnđịnh Thời gian này được gọi là thời gian nghỉ của acquy sau khi nạp

Dòng điện nạp ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của acquy Dòng điệnnạp định mức là : In = 10%C10 trong đó, C10 là dung lượng của acquy mà với chế

độ nạp dòng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10h acquy sẽ đầy

 Các phương pháp nạp acquy

Tuỳ theo phương pháp vận hành acquy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp,việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:

 Phương pháp nạp theo dòng

b Phương pháp nạp theo áp:

Phương pháp này yêu cầu acquy phải mắc song song với nguồn nạp Hiệuđiện thế của nguồn nạp không đổi và tính bằng (2,3 – 2,5)V cho mỗi ngăn đơn.Phương pháp này có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian Tuynhiên với phương pháp nạp này thì acquy không được no, do vậy chỉ dùng bổ sungnạp cho acquy trong quá trình sử dụng

c Phương pháp nạp theo dòng áp:

Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên, nó tận dụng được

ưu điểm của mỗi phương pháp

d Lựa chọn phương pháp nạp:

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế mạch nạp tự động, nên nhóm đã chọnphương pháp nạp theo dòng áp Do acquy sử dụng là acquy axit, nên trong khoảngthời gian đầu, nạp với dòng không đổi In = 0,1C10 Sau khi acquy bắt đầu sôi, tachuyển sang chế độ nạp ổn áp Sau khi acquy no, nạp bổ xung thêm 2 – 3h

2.5.3 Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axit.

 Nạp quá:

Nếu điện áp nạp của ắc quy quá cao sẽ dẫn đến dòng vào ắc quy tăng mạnhsau khi ắc quy được nạp đầy Sự cố này làm nước bị phân ly thành các electron vàlàm giảm tuổi thọ của pin Nếu ắc quy thường xuyên trong tình trạng bị nạp quáđầy, nhiệt độ trong ắc quy sẽ tăng lên Đến một mức độ nào đó, dòng điện vào ắc

quy sẽ nhiều hơn và làm nhiệt độ trong ắc quy tiếp tục tăng lên có thể phá hỏng ắcquy chỉ sau vài giờ đồng hồ.

 Sunfat hoá

Do các tinh thể chì sunfat được biến đổi thành chì trong thời gian ắc quy nạp,nên nếu sau khi phóng hết, ắc quy lâu ngày không được nạp lại, một số các tinh thểchì sẽ còn bám lại trên các tấm bản cực Những tinh thể này như những lớp cách lygây trở ngại cho ắc quy khi nạp Đây gọi là hiện tượng sunfat hoá Hiện tượng nàylàm dung lượng của ắc quy giảm và có thể làm hỏng ắc quy Để tránh hiện tượngnày, có thể áp dụng chế độ nạp cân bằng để có thể làm tươi lại ắc quy, tạo sự đồngđều của dung dịch trong các ngăn của ắc quy

2.6 Nguyên lý nạp năng lượng mặt trời

Đầu ra của pin mặt trời có điện áp ra max là 17,4V và công suất ra thay đổitùy theo cường độ ánh sáng của mặt trời Do vậy, bộ nạp acquy này phải đảm bảolấy được công suất lớn nhất của pin tùy thuộc các điều kiện làm việc Đây cũng làkhác biệt lớn nhất so với các acquy trên thị trường

Mạch nạp cần đưa điện áp thay đổi nhỏ hơn 17,4V lên điện áp lớn hơn hoặcbằng 48V để nạp acquy, vì thế ta có thể áp dụng các phương pháp của mạch DC-

DC ở đây

Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm :

- Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly

- Sơ đồ biến đổi DC-DC cách ly

2.6.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ từdòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp Điện áp một chiều đầu rathay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc tùythuộc vào từng sơ đồ Các sơ đồ điển hình theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ đồ biến đổi Buck,

- Sơ đồ biến đổi Boost,

- Sơ đồ biến đổi Buck-Boost

- Sơ đồ biến đổi Cuk

Q

L

C R

R C2RC

Q

Q

Q

D D

Với bộ biến đổi Buck, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiềuthấp hơn Bộ Buck được ứng dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các mạch

analog truyền thống Công thức biến đổi : Vout D

Vin 

Với sơ đồ biến đổi Boost, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp mộtchiều lớn hơn, dùng trong các thiết bị nguồn nuôi với công suất nhỏ như mobile,

notebook…Công thức biến đổi 1

1

Vout Vin   D

Với bộ biến đổi Buck-Boost, biến điện áp một chiều thành điện áp một chiều

có biên độ cao hơn hoặc thấp hơn biên độ điện áp vào Công thức biến đổi:

Các sơ đồ không cách ly cho công suất hạn chế, do đó chỉ phù hợp với côngsuất nhỏ và yêu cầu chất lượng không cao

2.6.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện ápxoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp xung,sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ mongmuốn Các sơ đồ biến đổi điển hình gồm có :

- Sơ đồ biến đổi FlyBack,

- Sơ đồ biến đổi Forward,

- Sơ đồ biến đổi Half-Bridge,

- Sơ đồ biến đổi Full-Bridge

C +

D N1:N2

V0 Vs

V1

N1 N2

V1

N1 N2

Hình 2.9 : Sơ đồ bộ biến đổi DC_DC cách ly a: Sơ đồ FlyBack, b: Sơ đồ Forward, c: Sơ đồ Half – Bridge, d: Sơ đồ Full – Bridge

Nhận xét :

Với bộ biến đổi FlyBack biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiềulớn hơn, công suất khoảng 250W, được dùng trong các bộ nguồn công suất nhỏ nhưtivi, loa… công thức biên đổi:

2 1

N Vout

D Vin N với N 1 ,N 2 là số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp, D là độ rộng xung.

Với bộ biến đổi Half - Bridge sử dụng 2 van công suất và sự phóng nạp của

tụ bộ biến đổi Half – Bridge được sử dụng trong các nguồn xung cách ly với công

suất lên tới 1KW Công thức biến đổi : 2

1

N Vout

D Vin N Với D là độ rộng xung