Thiết kế và thi công thiết bị giám sát và đánh giá chất lượng hệ thống pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Đồng Nai – Năm 2021 LỜI CẢM ƠN Trong q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, tơi nhận động viên, khuyến khích giúp đỡ nhiệt tình quý Thầy Cơ, bạn bè đồng nghiệp gia đình Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường, Khoa Sau đại học, Khoa Cơ Điện – Điện Tử trường Đại học Lạc Hồng đặc biệt quý Thầy Cô trực tiếp giảng dạy tồn khóa học tạo điều kiện, đóng góp ý kiến cho tơi suốt trình học tập nghiên cứu Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy TS người hướng dẫn luận văn hết lòng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tơi q trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết khả mình, chắn luận văn tránh khỏi thiếu sót Kính mong q Thầy, Cơ Hội đồng chấm luận văn góp ý để luận văn hồn thiện Đồng Nai, tháng năm 2021 Tác giả LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn hồn tồn hình thành phát triển từ quan điểm cá nhân hướng dẫn khoa học TS Các thuật tốn, mơ hình, số liệu kết có luận văn hồn tồn trung thực TÁC GIẢ LUẬN VĂN TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “Thiết kế thi công thiết bị giám sát đánh giá chất lượng hệ thống pin quang điện” phương pháp tự phát triển thiết bị giám sát không dây cho pin quang điện Thiết bị bao gồm, hệ thống cảm biến, bo mạch chủ với vi điều khiển STM32F103 tích hợp mơ hình tốn học pin quang điện, hệ thống giao tiếp để truyền liệu từ hệ thống cảm biến liệu tính tốn từ vi điều khiển đến thiết bị giám sát chỗ thiết bị di động thông qua ứng dụng web Hệ thống cảm biến bao gồm cảm biến xạ mặt trời, cảm biến dòng điện cảm biến nhiệt độ để thu thập liệu hoạt động thực tế pin quang điện Bên cạnh để đánh giá chất lượng hệ thống pin quang điện hệ thống chuẩn đốn lỗi phát triển dựa so sánh cường độ dòng điện đo đạc cường độ dịng điện theo mơ hình tốn học, từ cho thấy mơ hình tốn học pin quang điện nhúng bên vi điều khiển tác giả xây dựng có xác tin cậy cao thơng qua việc chuẩn đốn lỗi đạt tiêu không lớn 5% Kết thực nghiệm cho thấy thiết bị có ưu điểm tự phát triển, độ xác tin cậy, hiệu chi phí MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết cấu luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .4 1.1 Tình hình phát triển điện mặt trời giới .4 1.2 Tình hình phát triển điện mặt trời Việt Nam 1.3 Các nghiên cứu có liên quan CHƯƠNG : XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC PIN QUANG ĐIỆN DỰA TRÊN MATLAB/simulink .12 2.1 Hiệu suất trình biến đổi quang điện .12 2.2 Vật liệu chế tạo pin quang điện 13 2.3 Công nghệ pin quang điện 14 2.4 Mơ hình phương trình tốn học tế bào pin quang điện 16 2.5 Mơ hình phương trình tốn học mô- đun pin quang điện .19 2.6 Xây dựng mơ mơ hình tốn học pin quang điện môi trường Matlab/Simulink 21 2.6.1 Xây dựng mơ hình pin quang điện mặt trời tổng quát .21 2.6.2 Kết mô mơ hình pin quang điện JAM72S20 455W .22 3.1 Phát triển phần cứng cho hệ thống giám sát đánh giá chất lượng pin quang điện .26 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống giám sát đánh giá chất lượng pin quang điện 26 3.1.2 Vi điều khiển STM32F103C8T6 .27 3.1.3 Hệ thống cảm biến .27 3.1.4 Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống giám sát đánh giá chất lượng hệ thống pin quang điện 32 3.2 Phát triển phần mềm cho hệ thống giám sát đánh giá chất lượng pin quang điện .34 3.2.1 Xây dựng lưu đồ giải thuật hệ thống 34 3.2.2 Xây dựng nhúng mơ hình tốn học pin quang điện vi điều khiển 35 CHƯƠNG : PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG DỰA TRÊN THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH 37 4.1 Mơ hình thực nghiệm .37 4.2 Phân tích kết đánh giá thực nghiệm .38 4.3 Chức đánh giá chất lượng pin quang điện 45 4.3.1 Xác định sai số hệ thống .45 4.3.2 Đánh giá chất lượng pin quang điện 46 4.4 Chức phát lỗi 47 4.4.1 Chức phát lỗi bóng che 47 4.4.2 Chức phát lỗi khác 50 4.5 Xây dựng hệ thống hiển thị theo dõi di động .52 CHƯƠNG : KẾT LUẬN .54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC A PHỤ LỤC B DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT Diễn giải TỪ TIẾNG ANH TỪ VIẾT VIỆT HJT Heterojunction cells Công nghệ tế bào dị liên kết IBC Interdigitated Back Contact cells IRENA Các ô tế bào liên hệ ngược xen kẽ International Renewable Energy Cơ quan Năng lượng Tái tạo Agency Quốc tế PERC Passivated Emitter Rear Cell PV Photovoltaics Công nghệ phát quang thụ động Quang điện DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cơng suất lắp đặt PV tồn cầu 10 năm gần (MW) .4 Hình 1.2 Các nước có cơng suất lắp đặt điện mặt trời dẫn đầu toàn cầu năm 2020 .5 Hình 1.3 Bản đồ lượng xạ mặt trời Việt Nam Hình 1.4 Cơng suất lắp đặt điện mặt trời nước dẫn đầu Đông Nam Á ( 20152019) Hình 1.5 Tổng cơng suất lắp đặt PV nước dẫn đầu Hình 2.1 Mô tả pin quang điện dạng mono poly 14 Hình 2.2 Cấu tạo pin full cell 15 Hình 2.3 Mơ-đun Half-cut cell tăng phần hiệu suất so với truyền thống 16 Hình 2.4 Mơ hình tổng qt tế bào quang điện [17,18] .17 Hình 2.5 Mơ hình tương thích tế bào quang điện [17,18] 19 Hình 2.6 Mơ hình tổng quát mô-đun pin quang điện 20 Hình 2.7 Mơ hình mơ mơ đun pin quang điện 445W 21 Hình 2.8 Chương trình mơ đun pin quang điện JAM72S20 455W 22 Hình 2.9 Đặc tuyến I–V điều kiện tiêu chuẩn 23 Hình 2.10 Đặc tuyến P-V điều kiện tiêu chuẩn .23 Hình 2.11 Đặc tuyến I–P–V điều kiện tiêu chuẩn 24 Hình 12 Đặc tuyến I–V thay đổi xạ mặt trời 24 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống giám sát giàn pin quang điện 26 Hình 3.2 Sơ đồ chân kết nối hình ảnh thực tế cảm biến nhiệt độ thermocouple RTD PT100 loại A .27 Hình 3.3 Giá trị nhiệt độ theo điện trở cảm biếm PT100 28 Hình 3.4 Sơ đồ chân kết nối hình ảnh thực tế cảm biến đo xạ mặt trời davis 6450 29 Hình 3.5 Sơ đồ chân kết nối hình ảnh thực tế cảm biến dịng điện ACS756 .30 Hình 3.6 Mơ đun ESP8266 [23] 31 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống .33 Hình 3.8 Bảng mạch thiết bị giám sát đánh giá chất lượng pin quang điện 33 Hình 3.9 Lưu đồ giải thuật hệ thống 34 Hình 3.10 Biên dịch tải xuống mã nhị phân cho thiết bị đánh giá pin quang điện với vi điều khiển STM32F103C8T6 thơng qua trình soạn thảo biên dịch arduino IDE .35 Hình 4.1 Sơ đồ thiết lập thực nghiệm thiết bị giám sát đánh giá chất lượng hệ thống pin quang điện 37 Hình 4.2 Các liệu hiển thị giao diện web máy chủ lưu trữ 38 Hình 4.3 Các liệu hiển thị giao diện web máy chủ lưu trữ 39 Hình 4.4 Đặc tuyến xạ mặt trời .39 Hình 4.5 Đặc tuyến nhiệt độ hoạt động mô đun pin quang điện .40 Hình 4.6 Đặc tuyến điện áp ngõ 40 Hình 4.7 Đặc tuyến dòng điện đo so đạc với dòng điện mơ hình 41 Hình 4.8 Đặc tuyến công suất đo so với công suất mô hình 41 Hình 4.9 Đặc tuyến sai lệch dòng điện kết đo đạc mơ hình 43 Hình 4.10 Đặc tuyến sai lệch công suất kết đo đạc mơ hình 43 Hình 4.11 Mơ đun pin quang điện cảm biến đo xạ gắn mái nhà 44 Hình 4.12 Inverter hịa lưới 1000W 44 Hình 4.13 Đường đặc tính I-P-V điều kiện tiêu chuẩn 46 Hình 4.14 Kết thử nghiệm hệ thống phát lỗi 47 Hình 4.15 Thực nghiệm chức phát lỗi 48 Hình 4.16 Đặc tuyến dịng điện đo đạc so với dịng điện mơ thực nghiệm chức phát lỗi 49 Hình 4.17 Đặc tuyến cơng suất đo đạc so với công suất mô thực nghiệm chức phát lỗi 49 Hình 4.18 Các pin quang điện mắc song song 51 Hình 4.19 Dữ liệu nhiệt độ, bứ xạ, điện áp làm việc chức phát lỗi hiển thị giao diện web 52 Hình 4.20 Dữ liệu dịng điện công suất ngõ đo đạc mô hiển thị giao diện web .52 Hình 4.21 Tất liệu tải excel .53 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các nghiên cứu phương pháp kiểm tra lỗi vận hành pin quang điện để đánh giá chất lượng pin quang điện 10 Bảng 2.1 Hằng số lý tưởng vật liệu phụ thuộc vào công nghệ PV 18 Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật mô đun pin quang điện JAM72S20 455W [22] 22 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cảm biến xạ mặt trời Davis 6450 [24] 29 Bảng 3.2 Bảng thông số kỹ thuật cảm biến dòng ACS756SCB-050B [25] .30 Bảng 3 Bảng kết nối phần cứng hệ thống giám sát đánh giá chất lượng hệ 32 Bảng 4.1 Phân tích khác biệt hệ thống thực nghiệm mô .44 Bảng 4.2 Các kết phân tích khác biệt hệ thống thực nghiệm mô 45 Bảng 4.3 Bảng thông số kỹ thuật mô đun pin quang điện JAM72S20 455W [22] 46 Bảng 4.4 Phân tích khác biệt hệ thống thực nghiệm mô cho chức phát lỗi 50 51 - Lỗi đứt cáp điện bao gồm trường hợp : Hình 4.18 Các pin quang điện mắc song song (Nguồn:Tác giả) + Lỗi đứt cáp điện theo nhánh : lỗi đứt cáp ngẫu nhiên điểm A B pin 2, điểm C D pin hình 4.18 Đặc điểm nhận biết lỗi dòng điện đo đạc từ pin 50% so với dịng điện dựa mơ hình tốn học pin quang điện, xạ mặt trời thể rõ ràng điều kiện thời tiết tốt điện áp làm việc pin nhỏ điện áp ranh định (Vmp) Đứt cáp nhánh lúc điểm A C, B D, A D B C dịng điện đo đạc ngõ pin 0, xạ mặt trời thể rõ ràng điều kiện thời tiết bình thường điện áp làm việc pin quang điện đo đạc thiết bị giám sát đánh giá lúc + Lỗi đứt cáp điện : lỗi đứt cáp ngẫu nhiên điểm E F, hình 4.18 Đặc điểm nhận biết lỗi dòng điện đo đạc ngõ pin quang điện 0, xạ mặt trời thể rõ ràng điều kiện thời tiết bình thường điện áp làm việc pin quang điện lúc nằm khoảng Vmp > điện áp làm việc > Voc - Lỗi bụi bẩn bám bề mặt pin : đặc điểm nhận biết lỗi dòng điện đo đạc từ pin giảm khoảng 9% bao gồm 4% sai số bụi [20-21] sai số hệ thống khoảng 5% so với dòng điện dựa mơ hình tốn học 52 pin quang điện, xạ mặt trời thể rõ ràng thời tiết tốt điện áp làm việc pin nhỏ điện áp ranh định (Vmp) 4.5 Xây dựng hệ thống hiển thị theo dõi di động Tất thơng số đoc đạc tính toán xạ mặt trời, nhiệt độ điện áp làm việc, dòng điện điện áp ngõ mơ đun pin quang điện, dịng điện ngõ mơ hình pin quang điện gửi lên máy chủ thingspeak.com thời gian thực biểu diễn hình 4.19 hình 4.20 Dữ liệu tải file Excel thể hình 4.21 Hình 4.19 Dữ liệu nhiệt độ, bứ xạ, điện áp làm việc chức phát lỗi hiển thị giao diện web (Nguồn:Tác giả) Hình 4.20 Dữ liệu dịng điện cơng suất ngõ đo đạc mô hiển thị giao diện web (Nguồn:Tác giả) 53 Hình 4.21 Tất liệu tải excel (Nguồn:Tác giả) 54 CHƯƠNG : KẾT LUẬN Đề tài “Thiết kế thi công thiết bị giám sát đánh giá chất lượng hệ thống pin quang điện “ bao gồm bảng mạch STM32F103C8T6 phát triển mơi trường lập trình nhúng cho vi điều khiển Bảng mạch STM32F103C8T6 có nhiệm vụ thu thập phân tích liệu cảm biến từ pin quang điện truyền liệu không dây qua mô đun ESP8266 để theo dõi không xạ mặt trời mà nhiệt độ tế bào, điện áp hoạt động dòng điện đầu pin quang điện điều kiện hoạt động thực tế Cả kết đo lường mơ hình tốn học bao gồm công suất đầu pin quang điện hiển thị so sánh trực quan giao diện web thân thiện máy chủ thinkspeak Kết cho thấy hệ thống đề xuất có đủ độ xác độ tin cậy chấp nhận cho chức giám sát đánh giá pin quang điện Chức phát lỗi xác nhận chênh lệch công suất đầu pin quang điện đạt tiêu chí 5% mơ hình tốn học Từ quan điểm thực tế kỹ thuật hệ thống pin quang điện, hệ thống giám sát, đánh giá phát lỗi pin quang điện không dây đề xuất có ưu điểm: (1) thu trực tiếp thông số liên quan đến pin quang điện; (2) để truyền thông số giám sát pin quang điện không dây; (3) theo dõi đánh giá hiệu suất pin quang điện mơi trường lập trình nhúng cho vi điều khiển đủ độ xác độ tin cậy dựa mơ hình tốn học pin quang điện tích hợp sẵn; (4) để loại bỏ cáp liệu để liên lạc; (5) để có tính di động liệu; (6) để tự động phát lỗi xảy DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng công ty điện lực Việt Nam, (2021), Truy cập ngày 20 tháng năm 2021, [2] IRENA, (2020), “Renewable capacity statistics 2020 International Renewable Energy Agency” [3] Xếp hạng quốc gia dẫn đầu giới công suất lắp đặt điện mặt trời, (2020) Truy cập ngày 20 tháng năm 2021, [4] Tổng công suất điện mặt trời Ấn Độ, (2020), Truy cập ngày 20 tháng năm 2021 [5] Thơng báo tình hình hoạt động tháng đầu năm 2020 mục tiêu, nhiệm vụ công tác tháng cuối năm 2020, (2020), Truy cập vào ngày 20 tháng 2021, [6] Davarifar, M., Rabhi, A., El-Hajjaji, A., & Dahmane, M (2013) “Real-time model base fault diagnosis of PV panels using statistical signal processing” 2013 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA) doi:10.1109/icrera.2013.6749826 [7] Bonsignore, L., Davarifar, M., Rabhi, A., Tina, G M., & Elhajjaji, A (2014) “NeuroFuzzy Fault Detection Method for Photovoltaic Systems” Energy Procedia, 62, 431–441 doi:10.1016/j.egypro.2014.12.405 [8] Garoudja, E., Harrou, F., Sun, Y., Kara, K., Chouder, A., & Silvestre, S (2017) “Statistical fault detection in photovoltaic systems” Solar Energy, 150, 485–499 doi:10.1016/j.solener.2017.04.043 [9] Kim, I.-S (2011) “Fault detection algorithm of the photovoltaic system using wavelet transform” India International Conference on Power Electronics 2010 (IICPE2010) doi:10.1109/iicpe.2011.5728156 [10] Huang Zhiqiang, & Guo Li (2009) “Research and implementation of microcomputer online fault detection of solar array” 2009 4th International Conference on Computer Science & Education doi:10.1109/iccse.2009.5228541 [11] Houssein, A., Heraud, N., Souleiman, I., & Pellet, G (2010) “Monitoring and fault diagnosis of photovoltaic panels” 2010 IEEE International Energy Conference doi:10.1109/energycon.2010.5771711 [12] Chouder, A., & Silvestre, S (2010) “Automatic supervision and fault detection of PV systems based on power losses analysis” Energy Conversion and Management, 51(10), 1929–1937 doi:10.1016/j.enconman.2010.02.025 [13] Solórzano, J., & Egido, M A (2013) “Automatic fault diagnosis in PV systems with distributed MPPT” Energy Conversion and Management, 76, 925– 934 doi:10.1016/j.enconman.2013.08.055 [14] Ducange, P., Fazzolari, M., Lazzerini, B., & Marcelloni, F.(2011) “An intelligent system for detecting faults in photovoltaic fields” 2011 11th International Conference on Intelligent Systems Design and Applications doi:10.1109/isda.2011.6121846 [15] Chao K-H, Chen P-Y, Wang M-H, Chen C-T.(2014) “An intelligent fault detection method of a photovoltaic module array using wireless sensor networks” 2014 International Journal of Distributed Sensor Networks doi/10.1155/2014/540147 [16] J M Blance, F J Toledo, S Montero, and A Garrigós.(2013) “In-site real-time photovoltaic I-V curves and maximum power point estimator” IEEE Transaction Power Electron, vol 28, no.3, pp.1234-1240 [17] Savita Nema, R.K.Nema, Gayatri Agnihotri.(2010) “Matlab/simulink based study of photovoltaic cells/modules/array and their experimental verification” Volume 1, Issue 3, pp.487-50, 2010 [18] Tấm pin lượng mặt trời đánh giá dựa tiêu chuẩn nào.(2020) Truy cập ngày 20 tháng năm 2021 [19] Phuong Truong Le, Huan-LiangTsai, Thanh HienLam.(2016) “A wireless visualization monitoring, evaluation system for commercial photovoltaic modules solely in MATLAB/Simulink environment” https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.10.043 [20] Phuong Truong Le, Hồng An Quốc, Ngơ Văn Thun, Huan-Liang Tsai.(2019) “ A Method to Estimate the Yield of Photovoltaic Power Plant Solely in MATLAB/Simulink” DOI: 10.1109 / ICSSE.2019.8823491 [21] Nallapaneni ManojKumar,Ramjee PrasadGupta MobiMathew ArunkumarJayakumar, Neeraj KumarSingh.(2019) “Performance, energy loss, and degradation prediction of roof-integrated crystalline solar PV system installed in Northern India” Case Studies in Thermal Engineering, vol 13, 2019 PHỤ LỤC A Nghiên cứu cơng bố tạp chí Khoa học Đại học h : Kỹ thuật Công nghệ PHỤ LỤC B Datasheet [22] Tấm pin quang điện JAM72S20 [23] Cảm biến nhiệt độ PT100 (2020) [24] Cảm biến xạ mặt trời [25] Cảm biến đòng điện Allegromicro ACS756 (2020) [26] Mô đun WIFI ESP8266